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摘要：随着环保、全球变暖等问题日渐显著，世界各国纷纷制定燃油车辆禁售时间表。纯电动汽车等新能源汽车成为替代燃油汽车的最佳选择。动力电池等关键技术成为制约纯电动汽车发展的关键因素，文章主要从应用层面对动力电池的评价、性能影响因素及电池管理系统进行论述，为动力电池选择及应用提供参考。
关键词：纯电动轿车；动力电池；布置
引言
由于锂离子动力电池在低温条件下，电池组开路电压减小，内阻升高，电池组放电功率和能量都大大减少，且低温充电存在析锂现象，会存在安全问题，因此，对增程式电动车动力电池组进行预热变得非常重要。
1、纯电动汽车动力电池简介
作为纯电动汽车的能量来源，动力电池可以称之为纯电动汽车的“心脏”。其性能优劣直接影响到电动汽车的安全、续航、动力性、成本、使用经济性等整车性能。电动汽车动力电池满足纯电动汽车的使用需满足以下要求：1）高能量密度；2）高功率密度；3）使用寿命长；4）充电时间短；5）安全性好；6）维护方便；7）成本低等。目前用于电动汽车的动力电池主要有：镍氢电池和锂离子电池，其中镍氢电池主要用于混合动力汽车；锂离子电池分为：钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸亚铁锂电池、锂聚合物电池、三元锂电池等，其中锰酸锂电池、三元锂电池和磷酸亚铁锂电池目前已在电动汽车上进行了批量应用。
2、影响动力电池的性能的因素
2.1、高度方向尺寸确定
由于电池主要布置在前后座椅座垫下方，前后座椅之间是后排乘客的踏脚空间，因此电池尽管集中在一个电池包内，但也分成两部分，放置在前后段，分析电池包的高度实际上就是电池包前后两个凸起处的高度，即图 4 中 h1和 h2。h1对应着电池包前顶面 m 和底面 k 之间的距离，h2对应着电池包后顶面 n 和底面 k 之间的距离。
图1 恒流放电容量温度特性曲线
适当提高环境温度会提高电池容量降低极化内阻等，但过高的温度会造成电池的正负极反应不可逆，破坏电池结构进而影响电池寿命。
2.2、负极材料
以锂离子电池负极材料为例，锂电池的负极材料选择应满足下列条件：1）插锂是的氧化还原电位要低，最好接近Li的电位，有利于提高电池的能量密度；2）锂能够尽可能多的从负极材料中可逆的嵌入和脱嵌，提高电池的循环寿命；3）锂离子嵌入和脱出过程中材料结构没有或很少发生变化，确保良好的循环性；4）具有较好的电导率和离子扩散率，减少极化，有利于大电流充放电。
2.3、制造工艺
以磷酸亚铁锂电池正负极材料制备工艺为例，有研究人员利用球磨工艺进行磷酸亚铁锂电池正负极材料搅拌后由于活性物质和导电剂在水性浆料中的分散性得到提升，用其制备出的电池较通过传统搅拌机制备的电池倍率放电容量和平台电压均有一定幅度的提高。
3、纯电动轿车动力电池布置
3.1、整车动力系统结构
本文研究的增程式电动车结构如图2所示，分为2种工作模式：驱动电机单独驱动整车；驱动发动机带动发电机为电池组进行充电；制动能量回收模式下，驱动电机为电池组充电。
图2 增程式电动车系统结构示意
3.2、高度方向尺寸确定
由于电池主要布置在前后座椅座垫下方，前后座椅之间是后排乘客的踏脚空间，因此电池尽管集中在一个电池包内，但也分成两部分，放置在前后段，分析电池包的高度实际上就是电池包前后两个凸起处的高度，即图 3中 h1和 h2。h1对应着电池包前顶面 m 和底面 k 之间的距离，h2对应着电池包后顶面 n 和底面 k 之间的距离。
图 3 电池包高度方向尺寸
要想增大电池包的高度空间，首先要确定电池包前顶面 m、后顶面 n 的最大高度，以及下底面 k 的最低高度。
3.3、驾驶员座椅 R 点到座椅后部安装点高度
驾驶员座椅 R 点到座椅后部安装点高度，是指驾驶员座椅 R 点到座椅后部安装点的垂直高度。如图 4 所示的 h。由于座椅座垫有个 5～7°倾斜角，座椅后端安装点较低，所以选取座椅后部安装点。
图 4 驾驶员座椅总成高度
在电动车的开发上，为了增大电池包的高度，控制驾驶员座椅 R 点到座椅后部安装点高度 h，是常被采取的措施。有的取消座椅上下调节功能，有的改变座椅结构，将滑轨、安装点排布在座垫的两侧。当然，座椅舒适性的降低，必须在可接受范围之内。
3.4、动力系统主要零部件选型
3.4.1、驱动电机的选型
电机的选择需要考虑整车性能的需求，功率既不能选的过大也不能选的过小，功率太小，纯电动汽车动力不足，不能达到预期的性能要求；功率选的过大，则会造成整车效率偏低且车轮容易打滑。总之，电机的选择应能够同时满足对最高车速，加速性能和爬坡性能的要求。同时，电机的尺寸和重量也需要方便电动汽车的布置与配重要求。由于纯电动车需要满足整车的性能指标，所以，根据最高车速和加速度两个方面初步选择驱动电机。
3.4.2、动力电池的选型
三元锂电池持续放电≤3C；最大为5C，放电时间不超过3分钟。初选单体容量为25.5Ah的电池，成组方案为25.5Ah6并，96串，电池组3C放电时功率为159kW。动电机额定功率为40kW，最大功率为80kW。25.5Ah6并，96串电池满足驱动电机的要求。
3.4.3、减速箱参数的设计要求
减速箱用于转变驱动电机的转矩及转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速为的不同要求的需要。用减速箱转变驱动电机转矩、转速的必要性在于电动机转矩、转速变化特性的特点是具有相对小的对外部载荷改变的适应性。
为保证减速箱具有良好的工作性能，对减速箱提出如下设计要求：此减速箱为一级减速箱，速比为1.8；最大输入转矩：250Nm，最大输入转速：6000rpm；最大输出转矩：450Nm，最大输出转速：2778rpm；布局：输入输出端再同一侧中心距：245mm减速箱输入轴与电机输出轴连接方式：花键连接；减速箱壳体与电机壳体连接方式：端面连接；润滑方式为油池润滑；噪声要求：符合手动机械变速箱的噪声标准；工作环境温度：-40℃～45℃。
3.5、电池安全控制
电池管理系统安全控制主要包括：上电控制、充电控制、温度控制及故障报警。上电控制主要功能是将电池管理系统等低压电路与电池供电系统等高压电路进行隔离，使电池管理系统工作更加稳定。同时通过硬件电路设计中增加预充电感的方式防止电池因上电瞬间电流过大造成损伤。充电控制包括电池管理系统与充电机的握手，充电参数配置，充电及充电结束控制等，充电控制主要作用是：1）建立动力电池与充电机的参数化连接；2）动力电池或充电机充电故障报警；3）动力电池过充保护。温度控制主要是设定动力电池各工况温度阀值并对各工况温度阀值进行分级，通过分级确定电池管理系统的下一步动作。故障报警分为警示报警和禁行报警两类。警示报警主要提示驾驶员动力电池使用达到极限需进行充电、检修或降功率运行。禁行报警时说明电池继续使用会造成严重后果，通常包含强制性动作，如电池温度超过极限温度阀值有可能引发火灾或爆炸危险，电池管理系统会切断主回路。
结束语
随着动力电池电极材料及制造工艺的改进，电池的能量密度、功率密度、使用寿命等关键参数也在不断突破，国内也出现了快充动力电池、电池快充技术等关键技术，相信在不就的将来纯电动汽车的使用将更加环保、安全、方便。
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论文作者:祁彦帅,李树松
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/1
标签：电池论文; 座椅论文; 动力电池论文; 高度论文; 电动汽车论文; 锂电池论文; 电机论文; 《电力设备》2018年第30期论文;