#薦書#電動汽車動力電池系統詳解

動力電池系統對于電動汽車而言，猶如汽油之于傳統燃油車，是車輛的重要能量來源或唯一能量來源。我們知道，動力電池（電芯）技術是電動汽車的三大核心技術之一，但是如果考慮技術復雜度和重要性，動力電池系統集成技術比動力電池的單體技術尤有過之。

動力電池系統內部，除了作為能量載體的動力電池之外，還包括電池管理系統（BMS）、電壓/ 電流/ 溫度傳感器（也可能有煙霧/ 化學/ 濕度傳感器）、熱管理系統、高低壓線束/ 連接器、開關器件（繼電器、保險絲、MSD等）、安裝組件（支架，托盤、壓桿、螺栓等）、殼體、輔助組件（密封圈、橡膠墊、密封膠、卡扣、扎帶）等。動力電池系統產品，涉及的專業領域包括電子、電氣、信息、軟件工程、半導體、電磁學、材料、電化學、化學工程、機械工程、傳熱學、工程熱力學、流體力學等眾多學科（圖1），技術整合難度和系統集復雜度可想而知。

圖1 ?動力電池系統構成與相關專業領域

做個形象的比喻，動力電池系統如同一支軍隊，要打一場持續很久的戰爭（5 ～ 10 年）。系統里面的一個個動力電池單體（電芯），就是軍隊的作戰單元——士兵，承擔基本的作戰任務（存儲或釋放電能），是軍隊的基石。電池管理系統（BMS）如同軍隊的司令部，接受上級指令（通信），搜集情報（采樣），運籌帷幄（計算），下達作戰命令（控制），必要時還要做戰術后撤（保護）。熱管理系統如同軍隊的后勤保障體系，為了保障士兵能夠打勝仗，需要令其吃好喝好睡好（加熱或冷卻），保持較佳的戰斗狀態。各類傳感器如同偵察兵，負責情報采集，線束和連接器則如同通信和運輸系統，負責信息的傳遞和兵力的輸送。其他一些組件，就好像軍隊的各類物資，雖不承擔主要職能，但是對戰爭勝負都有重大影響。

在動力電池系統的生命周期中，可能要經歷各種各樣的情況，有時候在低于–30℃的冰天雪地，寒冷干燥；有時候在夏季的太陽下暴曬，溫度高達50℃以上，酷熱潮濕；有時候在海邊，受到鹽霧侵蝕；有時候要涉水，甚至會長時間浸泡在水中；有時候要跨越艱難險阻的道路，經受強烈的振動；有時候還會遇到強烈的碰撞，以至于扭曲變形。可是不管使用環境如何變化，動力電池系統都應該能夠穩定可靠地工作，直至達到產品退役的條件，這才算是合格的產品。

系統簡單模型

系統安全分析需要將復雜系統簡化成易于理解的物理、電氣和數學模型，讓分析人員能夠非常清晰地了解組成系統的子系統、子系統之間的接口，系統與外部環境的接口，系統如何運行，以及系統的功能等要素。

動力電池系統的定義：動力電池系統是一個能量存儲裝置，包括電池單體（電芯）或電池模組，電路和電控單元（電池管理系統），以及相關的電氣和結構組件。我們將動力電池系統的簡單物理模型描繪成圖2 所示。

圖2 ?動力電池系統物理框圖

從圖2 可以看出，動力電池系統被特定的環境和邊界所包圍，內部子系統包括電芯、電池管理系統、熱管理系統、高低壓電氣組件（開關、保險絲、線束、連接器等），以及相關的結構組件（殼體、緊固件等），系統與外部的接口包括通風接口，高壓接口、低壓和通信接口、冷卻接口、安裝接口等。基于上述子系統及接口，進一步描繪系統的電氣模型，如圖3 所示。

圖3 ?動力電池系統電氣模型框圖

系統的相關屬性

系統的屬性為系統的設計、構造、運行和分析提供了框架，所以定義和理解系統關鍵屬性是非常必要的，也是進行安全分析工作的基礎和前提。

在本文中，我們初步梳理動力電池系統的屬性，將其歸納如表1 所示。

表1?動力電池系統屬性

以上所整理的內容，并不是動力電池系統的全部屬性，而僅僅作為一個示例，啟發大家思考。為了進行完整徹底的危險分析，必須理解系統的每個屬性，制定完整的系統屬性表，并對屬性之間的相互關系有充分認識，從而保證對整個系統進行全面的安全分析，而不是只分析局部。

舉例來講，系統的通信異常，可能導致電池管理系統接收到錯誤的數據，造成動力意外中斷或動力輸出不能按要求關斷，進而發生事故。這意味著通信功能會對系統的開通和關斷功能產生影響，并造成安全危險，我們在做系統安全分析時就需要考慮安全防范措施，如果分立考慮通信功能和開通/ 關斷功能，就難以發現它們之間的相互作用，從而遺漏隱藏的安全危險。

本文摘編自王芳、夏軍等著《電動汽車動力電池系統安全分析與設計》（責任編輯：朱 麗 ?劉 冉）第四章，內容有刪節，標題為編者所加。

電動汽車動力電池系統安全分析與設計

王芳 ?夏軍 ?等著

北京：科學出版社 2016.09

978-7-03-049621-8

《電動汽車動力電池系統安全分析與設計》意在通過對電動汽車核心零部件——動力電池系統（Pack）進行系統化的安全分析，提出一些合理的安全設計方法，從而推動我國新能源汽車安全性能的提升，切實保障乘客、社會公眾的人身和財產安全。本書共分為十章，分別論述了電動汽車發展現狀、動力電池系統技術、企業內部的安全文化和流程、動力電池系統安全分析、電氣安全設計、機械安全設計、功能安全設計、化學安全設計、產品安全驗證，以及與動力電池相關的國內和國際標準。

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