1.1 電動(dòng)汽車發(fā)展史

1.1.1 電動(dòng)汽車第一個(gè)黃金時(shí)代

????????世界上第一輛電動(dòng)三輪車由英國(guó)人Robert Davidson在1873年制造出來（早于內(nèi)燃機(jī)汽車，1886年），它由鐵鋅電池（一次電池）提供電力。隨著鉛酸電池技術(shù)不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車產(chǎn)品得到快速發(fā)展。19世紀(jì)20年代初，電動(dòng)汽車在性能方面超過同時(shí)代其他類型汽車，電動(dòng)汽車迎來了第一個(gè)“黃金時(shí)代”。.

1.1.2 電動(dòng)汽車第二個(gè)黃金時(shí)代

????????第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)野蠻發(fā)展的同時(shí)，人類迎來了全球性的三大危機(jī)：資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)破壞。

????????20世紀(jì)70年代第四次中東戰(zhàn)爭(zhēng)的爆發(fā)導(dǎo)致原油價(jià)格的暴漲，觸發(fā)了第二次世界大戰(zhàn)之后最嚴(yán)重的全球性經(jīng)濟(jì)危機(jī)。環(huán)境污染加上石油危機(jī)，一度銷聲匿跡的電動(dòng)汽車，在沉寂50年之后，迎來了第二個(gè)“黃金時(shí)代”。

????????1972年，寶馬推出以鉛酸電池供電，搭載與博世共同開發(fā)的電動(dòng)馬達(dá)的1602e橙色電動(dòng)車。20世紀(jì)70年代，Sebring Vanguard推出了CitiCar電動(dòng)車型，最高時(shí)速為70 km/h，續(xù)航里程為64~96 km。

????????這一時(shí)期電動(dòng)汽車仍然采用鉛酸電池，大而笨重，高效率電機(jī)技術(shù)也沒有明顯進(jìn)展，一系列因素導(dǎo)致該時(shí)期的電動(dòng)汽車只是曇花一現(xiàn)。

1.1.3 電動(dòng)汽車第三個(gè)黃金時(shí)代

????????20世紀(jì)90年代，保護(hù)生存環(huán)境成為發(fā)達(dá)國(guó)家的緊迫任務(wù)，綠色低碳成為能源發(fā)展的主要方向，全球能源體系正在發(fā)生深刻變革，實(shí)現(xiàn)“以電力為中心”的用能模式轉(zhuǎn)變，將是各個(gè)碳排放大國(guó)的重要目標(biāo)，電動(dòng)汽車第三次“黃金時(shí)代”悄悄來臨。

???????? 1990年，通用公司推出Impact電動(dòng)車。1996年，通用公司又推出EV1電動(dòng)車型，最大續(xù)航旅程可以到144 km左右，最高時(shí)速128 km/h。1997年12月，豐田公司推出“普銳斯”車型。2008年，特斯拉研發(fā)了Tesla Roadster雙座電動(dòng)跑車，是世界上第一款大規(guī)模量產(chǎn)的電動(dòng)跑車。2010年，通用汽車推出Volt增程式電動(dòng)車，成為全球第一個(gè)量產(chǎn)增程式混合電動(dòng)車的廠家。2012年6月，特斯拉的電動(dòng)轎車Model S正式下線，截止2016年底，累計(jì)銷量超過10萬(wàn)輛，帶動(dòng)了全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)的高速發(fā)展。

1.2 電動(dòng)汽車Pack產(chǎn)品分類

1.2.1 動(dòng)力儲(chǔ)能電池的分類

????????作為動(dòng)力電池系統(tǒng)的核心，儲(chǔ)能電池的選擇是至關(guān)重要的。一款可反復(fù)充電，能量密度高，使用壽命長(zhǎng)，成本低的電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的核心。

????????按照儲(chǔ)能電池類型，電池Pack產(chǎn)品大概走過了鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池三個(gè)時(shí)代。

1.鉛酸蓄電池：電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液。

2.鎳氫電池：以鎳氧化物作為正極，金屬氧化物作為負(fù)極，堿液作為電解液。

3.鋰離子電池：鋰離子是一種依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間往返移動(dòng)來工作的二次電池，鋰離子電池具有長(zhǎng)壽命、大倍率、高能量密度、無污染等顯著優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用，成為發(fā)展最快的二次電池。

1.2.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)的功能分類

????????動(dòng)力電池系統(tǒng)在整車上的功能是比較多樣的，主要有發(fā)動(dòng)機(jī)啟停、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火滑行、制動(dòng)能量回收、轉(zhuǎn)矩助力、動(dòng)力輔助、油電混合驅(qū)動(dòng)、電力直接驅(qū)動(dòng)等。可以劃分為5個(gè)種類：微（弱）混，輕混，強(qiáng)混，插電式（含增程式），純電動(dòng)。

1.混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)

????（1）微混系統(tǒng)：主要式是12V/48V系統(tǒng)，利用電動(dòng)給汽車輕微助力，作用微弱。

????（2）輕混及強(qiáng)混系統(tǒng)：HEV(hybrid electric vehicle)，即混合動(dòng)力汽車。在行駛低速區(qū)發(fā)揮力量的電動(dòng)機(jī)，和在高速區(qū)發(fā)揮力量的發(fā)動(dòng)機(jī)相互補(bǔ)充。結(jié)構(gòu)形式分為三種：并聯(lián)式、串聯(lián)式和混聯(lián)式。

????（3）插電式混動(dòng)系統(tǒng)：PHEV(Plug-in hybrid electric vehicle)，既可以純電行駛，也可以發(fā)動(dòng)機(jī)行駛，更可以兩種動(dòng)力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)行駛。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)可以分為：a.增程式插電混合動(dòng)力系統(tǒng) b.并聯(lián)式插電混合動(dòng)力系統(tǒng) c.混聯(lián)式插電混合動(dòng)力系統(tǒng).

2.純電動(dòng)汽車

????????純電動(dòng)汽車（BEV，Battery Electric Vehicle）是電動(dòng)汽車發(fā)展的終極形態(tài)，完全以電力驅(qū)動(dòng)汽車行駛。具有環(huán)保、省錢（電費(fèi)低）、噪聲小、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、駕駛體驗(yàn)好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)在整車的安裝位置

????第一、盡可能在有限的空間內(nèi)，布置更多的電量，達(dá)到更大的續(xù)駛里程。

????第二、充分考慮電池包重量和形狀對(duì)整車結(jié)構(gòu)壽命的影響。

????第三、充分考慮電池包位置對(duì)整車安全性能的影響。

????第四、充分考慮電池包的散熱條件。

????第五、電池包安裝位置會(huì)影響整車的軸荷分配和重心，進(jìn)而影響駕駛體驗(yàn)。

????安裝方式主要有：“工”字型和“T”字型電池包安裝，“土”字型電池包安裝，一體式（滑板式）電池包安裝。

1.3 電動(dòng)汽車Pack的關(guān)鍵技術(shù)

? ????電池Pack是由很多個(gè)單體（電芯）通過復(fù)雜的電連接工藝和機(jī)械連接工藝組成的，為了有效地、可靠地使用，還增加了許多的傳感器和控制器，以及為滿足惡劣環(huán)境使用的熱管理系統(tǒng)，需要具備以下幾個(gè)特征：

? 1.能量密度要高，用較小的體積和重量，裝載更多的電量。

????2.環(huán)境適應(yīng)性要好，能夠滿足酷暑，嚴(yán)寒，涉水，高海拔，高鹽霧等使用環(huán)境。

????3.使用壽命要長(zhǎng)，通常需要高頻使用5~10年。

????4.可靠性和安全性要好。

????5.價(jià)格要便宜。

1.3.1 系統(tǒng)集成技術(shù)

????Pack的開發(fā)和應(yīng)用，最為核心的是機(jī)、電、熱、化這四個(gè)方面?；瘜W(xué)反應(yīng)的數(shù)量規(guī)模，決定了電池的充放電能量；化學(xué)反應(yīng)的快慢，決定了電池的充放電速度；化學(xué)反應(yīng)的可控和不可控，決定了電池的安全性；化學(xué)反應(yīng)的可逆程度，決定了電池的壽命。

????系統(tǒng)集成就是在與梳理機(jī)、電、熱、化之間的相互關(guān)系，相互作用，相互影響，定量和定性地分析產(chǎn)品是否可以滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1.3.2 電芯設(shè)計(jì)及選型
????在電池包產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，電芯的設(shè)計(jì)與選型最為關(guān)鍵。需要著重關(guān)注的要素：電性能（能量密度及功率密度）、外形尺寸、循環(huán)壽命和日歷壽命、單體成本等。除此之外，還需要考慮產(chǎn)品的技術(shù)成熟度、供貨周期、產(chǎn)品生命周期等。

1.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

????? 電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是根據(jù)整車對(duì)于電池包的產(chǎn)品功能要求、性能要求、包絡(luò)尺寸要求、重量要求、掛點(diǎn)要求、接口要求、防護(hù)要求等，確定合適的箱體設(shè)計(jì)和電池包內(nèi)部的電池模組設(shè)計(jì)、電連接設(shè)計(jì)、緊固設(shè)計(jì)等，其中最重要的是電池模組和箱體設(shè)計(jì)。

????????電池模組設(shè)計(jì)需要考慮所選電芯型號(hào)、模組能量密度、電流密度、外輪廓尺寸、機(jī)械接口、電氣接口、模組加熱/散熱、隔熱、防火阻燃等因素，需要滿足振動(dòng)、翻滾、跌落、滑車、擠壓、絕緣、針刺、海水浸泡等方面的要求。

????????電池包箱體設(shè)計(jì)，需要考慮電池包外包絡(luò)尺寸、電池模組尺寸、電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)械接口、電氣接口、電池包能量密度、功率密度、加熱/散熱要求、保溫要求、防護(hù)要求、制造工藝、成本等方面因素，還需要滿足振動(dòng)、沖擊、翻滾、跌落、滑車、碰撞、密封防護(hù)、接觸防護(hù)、絕緣防護(hù)、等電位、防火阻燃、泄壓防爆等方面的要求。

1.3.4 電池包電子電氣

????????電氣設(shè)計(jì)主要指高低壓線束、連接器、銅巴、匯流排、端子、繼電器、保險(xiǎn)絲等，需要考慮的是載流能力、接觸阻抗、耐壓等級(jí)、機(jī)械特性、阻燃等級(jí)、老化特性、耐腐蝕、絕緣防護(hù)、密封要求、連接工藝、制造和加工成本等。

????????電子設(shè)計(jì)，主要是指電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。

1.3.5 電池包熱設(shè)計(jì)

????????電池包熱設(shè)計(jì)有兩個(gè)目標(biāo)：控制電芯的工作溫度和控制不同電芯的溫差。前者會(huì)影響整個(gè)電池包的性能和壽命，后者會(huì)嚴(yán)重影響電池包內(nèi)部的短板效應(yīng)，導(dǎo)致電池組一致性變差。為了達(dá)到這兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要考慮加熱、散熱、熱均衡、保溫等4個(gè)方面的措施。

????????對(duì)于電芯來說，20~30℃是其最佳工作溫度，電芯溫度差控制在5℃內(nèi)比較合理。對(duì)于散熱設(shè)計(jì)有自然冷卻、風(fēng)冷、液冷、冷媒直冷等幾種方式，換熱系數(shù)是關(guān)鍵的指標(biāo)。對(duì)于加熱設(shè)計(jì)而言，可以考慮的加熱方式有加熱膜、PTC、液熱等幾種方式。

1.3.6 電池包安全設(shè)計(jì)

????1.化學(xué)安全

????????電芯發(fā)生熱失控，可能會(huì)產(chǎn)生電解液泄漏、起火和燃燒等現(xiàn)象，需要考慮的情況包括：

????????◆ 額定范圍內(nèi)的正常工況

????????◆ 長(zhǎng)距離運(yùn)輸和長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)

????????◆ 極端情況，如針對(duì)電芯的過充、過放、擠壓、穿刺、火燒等。

????2.電氣安全

????????◆ 絕緣配合????????◆ 等電位（接地）????????◆ 短路防護(hù)????????◆ 絕緣狀態(tài)監(jiān)控

??? ????◆ 高壓連接器互鎖????????◆ 電磁兼容性????????◆ 故障自診斷

????3.機(jī)械安全

??? ????◆ 密封防護(hù)????????◆ 振動(dòng)????????◆ 沖擊????????◆ 碰撞????????◆ 跌落????????◆ 碎石沖擊???????

????????◆ 重物錘擊????????◆ 翻滾????????◆ 金屬物穿刺????????◆ 燃油火燒（針對(duì)混合動(dòng)力車）

????4.功能安全??

1.3.7 電池包仿真分析技術(shù)

????????電池包仿真分析可以分為結(jié)構(gòu)仿真、熱流體仿真、電化學(xué)仿真三大類。結(jié)構(gòu)仿真內(nèi)容包括拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、靜強(qiáng)度優(yōu)化、密封界面分析、模態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、機(jī)械沖擊分析、滑車分析、擠壓分析等。熱流體仿真內(nèi)容包括電化學(xué)-熱力學(xué)耦合仿真、熱場(chǎng)分布、流程分布、熱失控仿真等。

1.3.8 電池包工藝設(shè)計(jì)

????????電池包的裝配過程，可以分為電池模組裝配、電池包箱體裝配、下線測(cè)試三個(gè)大的階段。電池模組裝配階段，關(guān)鍵工藝有分容、清洗、入殼、焊接、涂膠、測(cè)試等。電池包箱體裝配階段關(guān)鍵工藝有電池模組安裝、水冷組件安裝、線束連接、緊固件裝配、殼體安裝、連接器安裝等。電池EOL(end of line)，即下線測(cè)試包括功能測(cè)試、安全測(cè)試、氣密性測(cè)試、容量測(cè)試等。

1.4 我國(guó)電動(dòng)汽車Pack技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

1.4.1 我國(guó)新能源汽車的發(fā)展階段

1.4.2 我國(guó)政府制定的2020年關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

1.4.3 技術(shù)挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)

??? ????◆ 系統(tǒng)集成效率的大幅度提升

??? ????◆ 廣泛的溫度適應(yīng)性

??? ????◆ 3~4C的快充成為標(biāo)配

??? ????◆ 與車同壽命的電池包產(chǎn)品

本文用于學(xué)習(xí)記錄及分享，不作其他用途。摘自《電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》/王芳，夏軍等著.—北京：科學(xué)出版社，2017.8