歐陽劍，張 平，李 菁，李慧琪

(1.華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州益維電動(dòng)汽車有限公司，廣東 廣州 510640)

0 引言

在全球面臨能源日趨枯竭和環(huán)境改善的雙重壓力驅(qū)使下，新能源汽車的設(shè)計(jì)與推廣成為汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與節(jié)能減排的一項(xiàng)重要措施[1]。目前，鋰離子動(dòng)力電池由于具有單體電壓高、比能量大等優(yōu)點(diǎn)而成為較有前景的電動(dòng)汽車儲(chǔ)能方案，因此，新能源汽車的能源系統(tǒng)幾乎將鋰離子動(dòng)力電池作為首要選擇方向[2]。隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，尤其是車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，對先進(jìn)電池的需求和對電池能量管理系統(tǒng)的要求也日益提高，電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化將成為一種趨勢。

由于單體鋰離子動(dòng)力電池的電壓一般介于3 V～4 V(不同電芯因正極材料的差異略有差別)，因此對于電動(dòng)汽車應(yīng)用而言，該電壓等級(jí)顯然不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的需求，應(yīng)用中常通過串聯(lián)以提高電壓等級(jí)和并聯(lián)以提高可用容量。長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：在實(shí)際使用中，采取將單體鋰離子動(dòng)力電池組合成為電池模組使用具備多方面的優(yōu)點(diǎn)[3]。因此本文設(shè)計(jì)了電池模組，利用60個(gè)三元材料鋰離子單體軟包電芯，通過3并20串的組合形成72 V@50 Ah電池模組，結(jié)構(gòu)上進(jìn)行防水、防塵和防震設(shè)計(jì)，確保安全、可靠；配備的電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電量估算、充電均衡、狀態(tài)測量、數(shù)據(jù)通信、熱平衡管理、安全控制等功能，最終實(shí)現(xiàn)了電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化[4]。

1 智能鋰離子電池模組設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

圖1為智能鋰離子電池模組實(shí)物與結(jié)構(gòu)示意圖。該電池模組針對某一具體車型的需求設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的外形尺寸，模組的電壓等級(jí)根據(jù)內(nèi)部串并聯(lián)組合的不同可設(shè)計(jì)為48 V、72 V、108 V，模塊間也可通過不同的組合方式改變總電壓和總?cè)萘?。外部接插?用于外部電源輸出和數(shù)據(jù)通信連接；BMS(電池管理系統(tǒng))主控板2用于電池狀態(tài)管理和安全保護(hù)等控制；塑料緊固件3用于填充單體電芯與金屬外殼之間的空隙；硅膠加熱膜4用于在環(huán)境溫度低時(shí)啟動(dòng)工作；硅膠導(dǎo)熱墊5可增強(qiáng)模組內(nèi)熱量的傳導(dǎo)，促使溫度場均衡；充電均衡和溫控電路6用于均衡充電和加熱功能的啟?？刂疲浑姵貥O耳支架和壓板7用于緊固電極與導(dǎo)電銅片；鋰離子軟包單體電芯8采用隊(duì)列形式排列于模組中間位置；導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)件9與單體電芯間隔相連，呈隊(duì)列形排列，以確保電芯之間的溫度均衡；散熱鋁板10用于模組工作時(shí)散熱，防止溫度過高；均衡電阻11用于均衡開啟后發(fā)熱消耗多余的能量。

1-外部接插件；2-BMS(電池管理系統(tǒng))主控板；3-塑料緊固件；4-硅膠加熱膜；5-硅膠導(dǎo)熱墊；6-充電均衡和溫控電路；7-電池極耳支架和壓板；8-鋰離子軟包單體電芯；9-導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)件；10-散熱鋁板；11-均衡電阻

1.2 單體電芯及導(dǎo)熱件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為單體電芯及導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)件實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)示意圖。在組裝電芯時(shí)，單體電芯和導(dǎo)熱鋁隔板呈隊(duì)列形排列，本模組利用60個(gè)單體電芯和相應(yīng)的導(dǎo)熱鋁隔板交錯(cuò)擺放。由于采用導(dǎo)熱鋁隔板的設(shè)計(jì)，可有效加強(qiáng)單體電芯之間的熱傳導(dǎo)，使模組內(nèi)部的溫度場均衡實(shí)現(xiàn)溫差最小化，這將極大地降低使用過程中由于溫度場不均衡導(dǎo)致的單體電芯間的狀態(tài)差異，提高了電池的工作效率和循環(huán)壽命。

8-鋰離子軟包單體電芯；9-導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)體

1.3 熱管理及均衡充電控制

鋰離子電池的性能受環(huán)境溫度影響較大，當(dāng)電池芯在高溫狀態(tài)下工作時(shí)，電池內(nèi)部溫度有可能進(jìn)一步升高而導(dǎo)致熱失控，極端狀況下會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸等安全事故。長時(shí)間高溫工作會(huì)使電池內(nèi)部材料化學(xué)反應(yīng)活躍，從而縮短其循環(huán)使用壽命；反之，當(dāng)電池在低溫狀態(tài)下時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)遲緩，電池材料的活性降低，容易造成結(jié)晶從而導(dǎo)致容量損失。研究表明：鋰離子電池的最佳工作溫度在25 ℃～35 ℃之間，電池模組熱管理系統(tǒng)可最大限度地保證電池工作于最佳溫度區(qū)間，有效提升系統(tǒng)性能。

圖3、圖4分別為電池模組加熱系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)較為復(fù)雜，由加熱膜、硅膠導(dǎo)熱墊、加熱電路控制板等組成；散熱系統(tǒng)的散熱鋁板介于單體電芯和電池模組外殼之間，通過散熱鋁板可以將單體電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量加速導(dǎo)出，降低電池模組內(nèi)部溫度過高的風(fēng)險(xiǎn)。

2-BMS；4-硅膠加熱膜；5-硅膠導(dǎo)熱墊；6-充電均衡和溫控電路

5-硅膠導(dǎo)熱墊；9-導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)件；10-散熱鋁板

圖5為電池模組均衡充電系統(tǒng)示意圖。電池模組在充電末期觸發(fā)均衡充電啟動(dòng)條件時(shí)，BMS發(fā)出啟動(dòng)均衡充電指令，均衡充電開關(guān)導(dǎo)通，在此過程中BMS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，直至完成均衡充電。電池模組均衡充電系統(tǒng)中的均衡電阻膜片用于消耗均衡過程中產(chǎn)生的多余熱量，在該膜片上布置了20根電阻絲并用導(dǎo)線和插頭引出；均衡充電控制板與均衡電阻膜片通過連接插座相連。

2-BMS；6-充電均衡和溫控電路；11-均衡電阻

1.4 BMS控制板

圖6為電池模組BMS控制板實(shí)物圖。CAN總線收發(fā)器模塊1、RS485總線收發(fā)器模塊2和外部數(shù)據(jù)通信接頭3用于BMS與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；BMS主處理器芯片4用于電池荷電狀態(tài)估算、效能狀態(tài)評(píng)估、系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)保存和控制信號(hào)發(fā)送等主要功能的實(shí)現(xiàn)。用兩片Linear公司最新推出的電池參數(shù)采集芯片LTC6804實(shí)現(xiàn)全部電池參數(shù)的采集；鋁基板上主要布置MOS管，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和安全保護(hù)，由于MOS管在使用中易發(fā)熱導(dǎo)致器件損壞，因此將MOS管焊接在鋁基板上，能夠有效散熱，延長使用壽命，降低故障率，增加系統(tǒng)的可靠性。

1-CAN總線收發(fā)器模塊；2-RS485總線收發(fā)器模塊；3-外部數(shù)據(jù)通信接頭；4-BMS主處理器芯片；5-電池參數(shù)采集芯片LTC6804

電池管理系統(tǒng)具有以下幾個(gè)功能:

(1) 電池狀態(tài)采集與監(jiān)測：實(shí)時(shí)檢測采集單體電池的電壓、電流、溫度等信息，作為電池電量估算和安全保護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2) 電池非直接測量狀態(tài)估計(jì)：對電池荷電狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)、效能狀態(tài)(SOF)等狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，為使用者提供安全性、可靠性等依據(jù)。

(3) 均衡充、放電控制：使用主動(dòng)式均衡方式對電池充電進(jìn)行均衡控制，使用被動(dòng)式均衡方式對電池放電進(jìn)行均衡控制，確保電池在使用過程中不因某一電池的短板效應(yīng)而影響電池組的整體性能。

(4) 熱平衡管理：通過有效的加熱和散熱手段，使電池在使用過程中始終處于最佳工作溫度范圍，延長其使用壽命，使電池間的溫差能夠維持在較小的區(qū)間里，減小電池的不一致性。

(5) 安全保護(hù)：系統(tǒng)通過硬件設(shè)計(jì)和軟件管理實(shí)現(xiàn)對電池模組的安全管控，當(dāng)發(fā)生安全危險(xiǎn)，即觸發(fā)保護(hù)機(jī)制工作時(shí)，能最大限度地避免電池模組和使用者受傷。

(6) 數(shù)據(jù)通信：通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)主從模塊之間、電池管理系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。

(7) 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)記錄：通過人機(jī)接口交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，通過系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)空間實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)的記錄。

(8) 信息顯示：通過液晶顯示屏對電池管理系統(tǒng)狀態(tài)信息進(jìn)行輸出顯示，供使用人員和技術(shù)人員進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)管理。

2 電池模組測試

2.1 測試設(shè)備

圖7為電池管理系統(tǒng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該測試系統(tǒng)由主計(jì)算機(jī)、電池測試系統(tǒng)、恒溫恒濕試驗(yàn)箱、測試用電池模組、電池管理系統(tǒng)組成，其中主計(jì)算機(jī)運(yùn)行測試系統(tǒng)軟件，并通過通信總線接收電池管理系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，電池測試系統(tǒng)用于記錄電池運(yùn)行數(shù)據(jù)作為參考的標(biāo)準(zhǔn)，恒溫溫濕試驗(yàn)箱用于控制電池運(yùn)行的環(huán)境狀態(tài)，測試用電池模組及管理系統(tǒng)為測試對象。

圖7 電池管理系統(tǒng)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 測試結(jié)果分析

在電池模組內(nèi)部設(shè)置20個(gè)電壓測試點(diǎn)、8個(gè)溫度測試點(diǎn)，數(shù)據(jù)由電池管理系統(tǒng)采集，采樣時(shí)間為1 s；外部設(shè)置5個(gè)溫度測試點(diǎn)，數(shù)據(jù)由電池測試系統(tǒng)采集，采樣時(shí)間為10 s。

在環(huán)境溫度為30 ℃，電池模組初始溫度為32 ℃,對電池模組進(jìn)行0.3 C充電，記錄電池模組內(nèi)、外溫度。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知：①模組內(nèi)溫升為18 ℃左右(32 ℃至43 ℃)；②模組內(nèi)溫差1 ℃左右；③外殼溫升為10 ℃左右(32 ℃至42 ℃)；④外殼溫差為1 ℃左右；⑤模組內(nèi)、外溫差為3 ℃左右；⑥充電后期溫度曲線上升，這是因?yàn)閱?dòng)均衡充電模塊導(dǎo)致。

在環(huán)境溫度為28 ℃，電池模組初始溫度為30 ℃,對電池模組進(jìn)行1 C放電，記錄電池模組內(nèi)、外溫度。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖8 常溫充電模組內(nèi)部溫度曲線

圖9 常溫充電外殼溫度曲線

圖10 常溫放電模組內(nèi)部溫度曲線

圖11 常溫放電外殼溫度曲線

由圖10、圖11可知：①模組內(nèi)溫升為20 ℃左右(30 ℃至49 ℃)；②模組內(nèi)溫差最大為4 ℃左右，模組內(nèi)各單體電池溫差為1 ℃左右；③外殼溫升11 ℃左右(30 ℃至41 ℃)；④外殼溫差最大為3 ℃左右，最小為1 ℃左右；⑤模組內(nèi)外溫差充電后期為8 ℃左右。

3 結(jié)論

能源系統(tǒng)是電動(dòng)汽車不可缺少的組成部分，本文將智能電池模組設(shè)計(jì)作為研究重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)系統(tǒng)的集成，最后組成實(shí)用性強(qiáng)的產(chǎn)品。通過實(shí)驗(yàn)測試表明：智能鋰離子動(dòng)力電池模組的設(shè)計(jì)能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車能源系統(tǒng)提供模塊化的產(chǎn)品，提高了電動(dòng)汽車運(yùn)行的可靠性，延長了電池的使用壽命。同時(shí)也證明了本文所設(shè)計(jì)的電池模組符合設(shè)計(jì)要求且具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

智能電池模組的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)涉及多個(gè)專業(yè)的結(jié)合，除了實(shí)現(xiàn)基本充放電功能外，安全、可靠、輕量化等因素對于整體性能的發(fā)揮都會(huì)產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。本文設(shè)計(jì)的智能電池模組還有較大的改進(jìn)空間，下一步的工作重點(diǎn)是：優(yōu)化電池管理系統(tǒng)的功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行有效的技術(shù)攻關(guān)，力爭取得實(shí)質(zhì)性的突破。