浅析汽车动力电池包的组成、成组技术及成组效率对比
摘要：本文在概述了汽车动力电池包组成的基础上，重点探讨了动力电池成组对电芯高能量密度、轻量化、结构设、安全、热管理、电气、标准化设计要求的要点，并对动力电池成组效率进行比较。
关键词：组成 要求 效率
在纯电动汽车中，动力电池包作为汽车唯一的动力来源，动力电池包电能的高低决定了电动汽车的行驶里程。提高动力电池包电能的方法有两种：采用高容量的电芯，使用更多的电芯。一般电芯容量越高，成本也越高。因此优化动力电池包的结构，尽量使用更多的电芯成为动力电池设计过程需要考虑的重要因素。
动力电池系统
结构系统主要由动力电池PACK上盖、托盘、各种金属支架、端板和螺栓组成，可以看作是动力电池PACK的“骨骼”，起到支撑、抗机械冲击、机械振动和环境保护（防水防尘）作用。动力电池包装载在汽车上，首先得考虑和满足机械方面的特征，产品需要具有足够的强度和刚度，在振动、冲击等机械载荷下不发生形变和功能异常，在碰撞、挤压、翻滚、跌落等事故状态下有足够的安全防护。
电气系统主要由高压跨接片或高压线束、低压线束和继电器组成，高压线束可以看作是动力电池PACK的“大动脉血管”，将动力电池包心脏的动力不断输送到各个需要的部件中，低压线束则可以看作动力电池PACK的“神经网络”，实时传输检测信号和控制信号。
电动汽车依靠电能驱动车辆行驶，瞬时功率可能高达几百千瓦，电压范围从几十伏特到几百伏特，电流也可以达到正负几百安培，大电流的充电和放电，以及高电压的输出，意味着动力电池包有很高的电气载荷要求。
BMS系统
深化动力电池模组的系统化、集成化设计，提升现有成组生产工艺，进而提高成组动力电池的安全可靠性，动力电池成组技术要求如下。
提高动力电池包能量密度，以满足电动汽车行驶里程。提高动力电池包能量密度的方法有，一是提高成组效率，二是采用更高能量密度的电芯。目前，方形电芯将主推能量密度230～240Wh/kg的产品，软包主推240～260Wh/kg产品，18650电芯将推出3.2～3.4Ah的产品、21700电芯将推出4.8～5.0Ah的产品。
能量密度
目前，提高动力电池包能量密度的方法不是太多，无外乎从提高单体能量密度和模组优化以及壳体的轻量化这几个方面着手。总之，在动力电池包带电量一定的情况下，尽量提高其成组效率。
动力电池模组应能适应不同气候下的正常运行，如在高温时开启制冷系统降低动力电池包温度，低温时开启加热系统保证动力电池包的正常充放电。软包电芯的物理结构决定了其不易爆炸，一般只有外壳能承受的压力足够高，才有可能炸，而软包电芯内部压力一大，便会从铝塑膜边缘开始泄压、漏液。同时软包电芯也是几种电芯结构中，散热最好的。
热管理系统
当前主流的冷却方式，已经转变为液冷以及相变材料冷却。相变材料冷却可以配合液冷一起使用，或者单独在环境不太恶劣的条件下使用。另外还有一种当前国内仍然较多应用的工艺，灌胶。这里灌得是导热系数远大于空气的导热胶。由导热胶将电芯散发的热量传递到模组壳体上，再进一步散发到环境中。这种方式，电芯再次单独替换不太可能但也在一定程度上阻止了热失控的传播。
对于液冷，冷板与液冷水管正是液冷系统的组成部件。动力电池模组由电芯层叠而成，而电芯间有间隔排布的冷板，其保证每个电芯都有一个大面接触到冷板。在液冷技术应用中，必须考虑液冷板的固定，密封性，绝缘性等。
动力电池模组的电气设计包含低压和高压两个部分：
1）低压设计。在低压设计时一般需要考虑以下几个方面的功能：
①通过信号采集线束，将动力电池电压、温度信息传输到动力电池模组从控板或动力电池模组控制器，动力电池模组控制器设计有均衡功能（主动均衡或者被动均衡或者二者并存）。
②少量的继电器通断控制功能可以设计在从控板上，也可以设计在动力电池模组控制器上。
③通过CAN通讯连接动力电池模组控制器和主控板，将动力电池模组信息传递出去。
2）高压设计。高压设计主要是电芯与电芯之间的串并联，以及动力电池模组之间的连接导电方式设计，一般模组之间只是考虑串联方式。这些高压连接需要达到两个方面的要求：
①电芯之间的导电件和接触电阻分布要均匀，否则单体电压检测将受到干扰。
②电阻要足够小，避免电能在传递路径上的浪费。
标准化是大工业以来的长期追求，标准化是降低成本提高互换性的基石所在。具体到动力电池模组，还多了一个梯次利用的目的。目前我国动力电池单体还没有标准化，模组标准化还有更远的路要探索。
目前，行业内圆柱电芯的模组成组效率约为87％，系统成组效率约为65％。对于不规则的动力电池箱体，圆柱动力电池可充分利用空间，相对方形和软包更有优势。通过减小电芯间距和模组轻量化，可使模组成组效率得到较大提高。
软包电池
软包电芯模组成组效率约为85％，系统成组效率约为60％。软包电芯的单体能量密度比圆柱和方形有更高的提升空间，但对模组设计要求较高，安全性不易把控。
在成组效率方面，相较于软包和圆柱动力电池，方形动力电池成组效率更高。方形电芯的模组成组效率约为89％，系统成组效率约为70％。方型电芯更适用于规则箱体，电芯体积变大有利于提高电芯能量密度，后续模组成组效率提升空间有限，有赖于单体电芯能量密度的提升。
如果按照目前的系统成组效率计算，要达到《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出的2020年新型锂离子动力电池包能量密度260Wh／kg的要求，那么，圆柱单体电芯就需要达到400Wh／kg，软包单体电芯能量密度要达到433Wh／kg，方形单体电芯能量密度需要达到371Wh／kg。显然，2020年单体电芯能量密度要达到这个水平有难度，那么进一步提高动力电池的成组效率就变得十分必要和紧迫。
模组优化设计可以从多个方面着手，对于圆柱来说，业内新研发了21700电芯，相较于18650，电芯直径变大后，动力电池支架板和集流片孔变大，相应重量减轻，动力电池包中电芯数量减少，同时焊接配件的数量也相应减少。
在锂动力电池成组技术中，最重要的是电池管理系统，它是动力电池包的“大脑”，它像“管家”一样，包揽所有的工作，从监控每一级动力电池物理变量，环境温度，到系统级动力电池包性能估计，在线诊断与预警，充、放电与预充控制，热、冷管理等。大电流主动均衡技术是电池管理系统中最核心的技术，它需要解决的是动力电池包在使用过程中衰减的问题，也就是要确保续航里程稳定及可预测的问题。
（文章来源：搜狐网）