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重型电动商用车动力电池系统设计

2021-09-15 15:11:10·  来源：电动学堂  作者：薛永东  
　
文章来源：陕西重型汽车有限公司前言动力电池作为电动商用车的核心部件，对其进行合理的设计匹配至关重要。文章对重型商用车动力电池系统的设计方法进行了全面阐
文章来源：陕西重型汽车有限公司

前言

动力电池作为电动商用车的核心部件，对其进行合理的设计匹配至关重要。文章对重型商用车动力电池系统的设计方法进行了全面阐述。
1动力电池系统基本性能参数
1.1额定电压及工作电压范围
对于电动重型商用车动力电池系统的额定电压，参考《电动汽车高压系统电压等级》(GB/T31446-2015)一般选用DC576V。通常允许使用的电压范围上限为系统额定电压的115%～120%，下限为系统额定电压的75%～80%。
动力电池系统的额定电压及电压范围，必须与整车所选用的驱动电机、电机控制器的电压平台及工作电压上下限要求相适应，且最高工作电压不大于充电机允许的最高电压。
1.2总能量及电池系统容量
从整车车重、动力系统配置、典型工况入手，根据续驶里程要求，仿真计算所需搭载动力电池的能量Q0，结合动力电池可用SOC范围(20%～100%)，初步计算总能量：
Qt=Q0/0.8kWh
根据整车选用驱动电机、转向、空气压缩机、空调压缩机、PTC、DC/DC等负载功率需求，初步计算持续功率Pc0、峰值功率Pk0，结合高压配电单元、电机控制器的效率η、电池系统的放电倍率(持续Mc=0.7～1，峰值Mp=1.2～2)，计算动力电池系统的持续功率：
Pc=Pc0/(Mc·η)峰值功率：
Pk=Pk0/(Mp·η)kW
因Pc≤Pk，动力电池初步选型的总能量Q为：Q=Max(Qt，Pk)kWh
电池系统容量=总能量/系统额定电压。

1.3单体电池容量选型及系统成组匹配
根据系统容量，结合正负极材料体系、现有的成熟产品规格等，选择合理的单体电池容量及系统的并联方案；根据电池系统的额定电压，计算系统的单体电池串联数量n=电池系统额定电压/单体电池额定电压。
由于是在已经定型的单体电池进行选型，因此成组后的总能量可能与所需的电池总能量有一定差别。因此，在选择单体电池容量时还要通过核算，选择组合后能最接近预期总能量的单体电池。
由于电池系统质量能量密度的要求及整车上用于动力电池系统安装空间的限制，因此，选择质量、体积能量密度高的电池箱体同样重要。

1.4充电方案
重型商用车一般采用直流快充方式充电，根据整车搭载电量及充电时间要求，选择单枪或双枪充电。直流充电协议按照《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》(GB/T27930)执行。
2高压插接件及线缆选型设计
重型商用车所用动力电池系统为高电压、大电流回路，若高压电路发生绝缘失效、短路、漏电等情况时，会造成严重的安全事故。本文从高压线缆和高压插接件的选型设计进行分析，使高压电连接既保证整车驱动需求，同时又满足车辆的运行安全。

2.1高压插接件的选型设计
高压插接件的作用是保证线缆与电器件能够安全、可靠地连接。动力电池系统高压插接件的选型有如下要求。
2.1.1电性能
为适应高电压、大电流的使用工况，插接件通过高密度触片、端子表面镀银等技术，增加插接件的接触面积，降低阻抗。耐电压应达到DC(2×U+1000)V，U为动力电池系统的额定电压。
2.1.2环境及防护性能
工作温度为-40℃～125℃。满足IPXXB的要求，防止高压部分与人员接触；满足IPX7的功能，保证车辆涉水等恶劣条件下的使用性能。阻燃应达到ULV0等级。
2.1.3机械性能
插接件应满足车规级的耐振动和冲击性能，带有二次锁和防误插功能，并满足插拔力和插拔次数的要求。
2.2高压线缆导线的载流能力
根据焦耳定律，导线产生的热量为

根据热平衡原理，导线表面达到其稳定状态时，发热功率等于散热功率：

3动力电池的电气连接
动力电池系统的电气连接形式如图1所示，主要包括高压电气系统、低压电气系统和控制器局域总线等。高压系统电气架构的设计原则如下：
①各高压部件尽量都能有独立的供电控制，确保不工作的部件不带电。
②工作特性相近的部件尽量共用一个接触器，减少接触器的数量。
③功率等级相近的部件尽量共用熔断器，减少熔断器的数量。
④尽量减少动力电池系统外部的电气接口。

4热管理
电池热管理系统是减轻电池相关热问题的良好解决方案，是保证电池使用性能、安全性和寿命的关键技术之一。电池系统内部的温度对电池单体的可靠性、寿命及性能都有很大影响，因此，使电池温度维持在一定温度范围区内非常重要。要实现这一要求，主要通过冷却、加热和保温来实现。商用车动力电池的冷却一般采用液冷方案，加热一般采用电加热膜方案。根据充电、行车工况采用合理的加热、冷却策略，对动力电池性能的优化至关重要。
5动力电池系统布置
重型商用车电量需求比较大，除考虑布置空间外，还需根据车型类别、使用工况等合理的进行动力电池的布置。目前较为常见的是将动力电池布置于驾驶室后方的车架纵梁上、布置于车架左右纵梁的外侧、布置于车架纵梁的内侧。也可将以上布置组合应用，合理利用空间，拓展电量。各种布置形式的优缺点及推荐应用车型见表1。

6结语
通过对重型商用车动力电池系统设计方法的介绍，结合实际车型应用进行验证，可为纯电动、混合动力、增程式燃料电池商用车动力电池系统的设计，提供参考。
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