杨兵 张玉荣 肖峰

摘要：经过10余年的研究开发和发展，我国新能源汽车行业已经形成了从原材料供应、动力电池、整车控制器等关键零部件自主研发和创新制造;市场分析预计到2025年新能源汽车销售量将超过1000万台，动力电池系统是新能源汽车动力核心，随着国家政策和对新能源汽车技术要求不断提高，对动力电池系统安全性要求更高，指导和推进企业研发出更加安全的电池系统以满足国家政策要求和市场需求。同时军民一体化发展在新能源汽车领域也得到长足发展，目前有多家企业正在承接混合动力特种车辆新能源汽车和关键零部件的研发和制造;为推进新能源汽车发展起着非常重要作用。

关键词：新能源汽车;电池包;电池管理系统;热管理系统

中图分类号：U463                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）05-0190-02

0  引言

新能源汽车是国家发展战略重要一部分，新能源汽车军民一体化发展得到充分应用，本项目中一款混合动力特种车辆用电池系统设计与研究，主要依据混合动力特种车辆的需求，搭载在一款6x6 全地形车上，此车具备复杂战场环境的全天候、全地域空地一体化作战能力，能够执行快速部署、地面突击、要点夺控等重要任务，具备静默行驶能力，良好的高低温、高海拔低气压适应性，可适合全天候、全地域使用。目前，尚没有满足特殊专用车需求的同类产品，本项目研发的成果，将填补技术和产品空白。

混合动力特种车辆与传统乘车最大区别在于重量大、高机动性、工况恶劣。该项目设计研究的高比能电池系统，根据产品特殊性要求与规定的的产品六性要求，必须满足可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性。因而混合动力特种车辆电池系统开发要求远高于行业内同性能的电池系统。

考虑到此款电池系统搭载在军用突击战车上，由于其特殊的应用环境，需空降到敌对区域静默行驶以达到突击效果，因此军用混合动力汽车用电池系统不是单纯的追求高续航里程，设计的突出重点应该放在高比功率和安全性上。在满足军标六性要求的前提下，进行全新的整包结构设计，设计需考虑到BDU 集成及轻量化处理等因素，且整包结构的合理性将直接关联到BMS 及热管理系统的工作效果，热管理系统内部集成冷板，因而对材料和结构方案设计要求更高。高功率放电能力，持续放电电流达到15C（225A），峰值放电电流达20C（300A），BMS 的SOC 估算技术及电池组均衡技术成为研究关键，模组温差控制在4℃以内，远高于行业10℃的标准，使得电池系统设计安全、可靠。

1  一种混合动力特种车辆电池系统结构设计与研究

该电池系统面向混合动力特种车辆，其车身重，加速要求高，爬坡能力强，基于此，模组作为电池系统最核心的单元，作为整车的动力来源，成组方式及性能参数至关重要。系统电芯为软包封装技术，能量密度高，具备高功率放电能力，持续放电电流：RT@15C（225A），峰值放电电流：RT@20C（300A），安全性好。除此以外，还需依据CAE 分析情况，对整包壳体进行轻量化设计与研究，在保障结构强度满足安全性的前提下，最大限度的减轻重量;为保障系统高压安全性，在高压盒（BDU）内部的有限空间内集成7类继电器，并充分分析和研究更加稳妥的安全控制策略，保证高压系统与低压系统绝缘性达到极限值，保障了整车高压安全和人员安全。

电池整包结构设计如图1所示。

具体研究方案：

第一步，依据该项目混合动力特种车辆的规格及电池包预留空间，确定整板的基本尺寸和各固定点及进出水口方向;

第二步，依据动力需求确定电池模组数量及位置;

第三步，确定BDU 的尺寸及位置;鉴于前期样件需求，BDU 前期验证使用3D 打印技术，BDU 内部在有限的空間的集成各种继电器以及采取合适的安全控制策略，以保证高压系统与低压系统绝缘，防止高压漏电及保证维修人员安全;

第四步，冷却系统的设计，包括水道走板方式及设计方式的确定，冷却介质选择50%乙二醇兑水;低温加热方案选择4 块PTC 板，其中PTC 加热板与高温散热的水冷板为一体式集成板，如图2所示。此方案在国内尚属先例。

最后，结合CAE 软件分析，确定整体方案，并在系统结构强度满足整车安全性能前提下，最大限度减轻重量，结合理论技术及仿真优化分析，样件重量小于80kg。

2  电池管理系统策略设计与研究

BMS 设计工作任务繁多，涉及到整个电池系统的监控。主要设计研究集中在SOC 估计算法和均衡电流方法两个方面。

常规SOC 估算方法多为单一方法，本设计将安时法与开路电压法相结合，通过开路电压法对安时法的SOC 结果进行校正，保障SOC 误差控制在3%以内。通过电池的初始电量，利用电池的充放电电流对一段时间内的电池冲入或放出的电荷量进行计算，即可得到当前时刻的电池荷电状态，除此以外，还需考虑库伦效率、电池寿命补偿以及温度补偿等因素对安时积分法的估算结果就行修正，即便如此，考虑到电池出状态、自放电以及电流精度影响等问题，安时法的SOC 估算误差是固有的，因此，我们考虑到在SOC 的中间区间（10%

在均衡电流研究方面，主要是被动均衡和主动均衡两种方案。被动均衡方法简单，实用效果较好，主动均衡更节能，但相对复杂。对BMS 来讲，均衡策略很重要。在电池单体的一致性差异在一定范围内时，电池的电量和电压成正相关;但是当电池的一致性差的远，也就是有电池处于受损状态时，电量和电压相关性就没那么强了，这时的均衡依据，就不能单以电压这一数据来判断。如果意识不到有电池损坏到临界状态以下，依然根据电压均衡，反而会对电池造成伤害，尤其是主动均衡，因其电流大造成的伤害会比被动均衡更大。

3  热管理系统的设计研究

通过温度传感器，对每个电芯进行实时监控，通过创新性的热管理总成结构，基于实验计算好冷却介质的流速，及时吸收电池的多余热量，使电池一直处在最佳的充放电区间，由于对每个电芯均进行了监测，可保证电池组温度分布的一致性，各电芯温差控制在4℃以内，避免了由于个别电池高温而引发的爆炸或者火灾，能够及时的排除电池组内电池单体发生温度失控现象的可能;能够监测因为电池内部发生化学反应而产生的有害气体，保障有效通风，提高了电池使用过程中的安全性。以安全性为出发点，保障电池系统的性能和寿命，使电池工作在一定的温度范围内，从而维持最佳工作状态。该项目设计研究的高比能电池系统需满足工作环境在-40℃至70℃之间，并保证模组温差小于4℃（行业内是10℃），确保模组高效稳定运行。因此需致力于冷却方案和加热方案的结合设计研究。创造性的将PTC 加热板与高温散热的水冷板实现一体式集成，在低温条件下加热温升快，效率高，PTC 停止工作后，集成板内介质（防冻液）可以起到保温作用，如图3 所示。

目前国内市场主要的热管理方式是通过介质实现加热与冷却，此种方式对整车能量消耗较高，我司的设计考虑到电池自身的温升速度安全性，采用慢充方式，可通过采取市电实现PTC 加热，其次电池加热来源于慢充，整车无需再单独设计整包加热模块，从而节约整车能源，简化整车的结构。

4  结论

本款混合动力特种车辆电池系统设计与应用，实现动力电池系统成功应用于混合动力特种车辆，为在混合动力特种车辆特殊领域推进混合动力汽车发展提供了参考依据。同时提升动力电池系统通过传统技术开发向更高层级发展提供基础，也为电池系统放电倍率由目前3C提升到15C提供了詳细实验数据，也为多种新技术、新材料在电池系统设计中应用提供实验基础和实验方案和数据分析。为以后开发出更安全、更可靠混合动力特种车辆电池系统奠定基础。

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