【《某纯电动汽车电池包基本参数的确定计算过程案例分析》3100字】

某纯电动汽车电池包基本参数的确定计算过程案例分析1.1电源系统设计1.整车设计的基本要求整车设计的参数如表2.1所示纯电动汽车性能要求表2.1参数数值参数数值整车装备质量/kg1000空气阻尼系数/(N·S²/m⁴)0.2整车满载总质量/kg1500滚动阻尼系数0.015轴距/mm320加速时间要求/s≤6迎风面积要求/㎡1.9行驶里程/km1802.整车功率的需求与电机的选择(1)最大功率的确定根据汽车理论以及汽车设计，汽车功率平衡的关系应满足式(2.1)要求【9】ΡV=1ηr(mgfrua3600式(2.1)中，Pv表示车辆需求的功率，单位kw;ηT表示传动系统效率，本课题选用轮毂电机，传递效率为1;ua代表汽车车速，单位km/h;CD表示空气阻尼系数;fr为汽车滚动阻尼系数;A表示汽车迎风面积，单位为㎡。汽车最大需求功率应该满足汽车在启动加速、爬坡以及在最高车速下的最大功率需求，所以进行三种情况下需求功率的计算。最高车速umax车辆功率需求:ΡV1=1ηr(mgf最大爬坡度i=0.2,爬坡速度ua=15km/h,电动汽车需要的功率为:ΡV2=1ηr(mgfrcos百公里加速时，汽车在加速末时刻功率需求:ΡV3=Va3600ηr{mgfr+δmVa0.36其中，δ为旋转质量换算因数,取值为1.1,x为拟合系数一般取0.5，本课题取0.45通过公式计算可以得出汽车最高车速、最大爬坡度以及百公里加速需求功率分别为24.547kw，14.197kw,46.712kw。通过上面计算可知,电动机的最大功率应大于46.712kw,电机在额定功率附近效率最高，所以通常根据电动汽车最高车速确定汽车的额定功率，同时应该保留一定的后备功率。所以在选择轮毂电机时，额定功率应大于14.2735kw,最大功率应大于24.356kw。本课题选择电机的额定功率为15kw,最大功率为24.7kw。（2）电机的选择为了保护电源系统，使控制总线的工作电流在一定的范围内，需要进行一定的高压设计，这样电机输出的转矩以及功率也会越大，车辆动力学性能较好。但是直流总线的最高电压不能过高，电压应在一定的范围内。国标中推荐的电压等级有120V、144V、168V、192V、216V等，本课题依据实验室现有情况，选择电动汽车电机的额定电压为192V.3、电源系统基本参数的确定(1)电源系统标称电压及电压范围根据电机电压为192V,电极的工作电压不超过额定电压的120%不低于额定电压的80%，则电机的正常工作电压为153.6V~230.4V，电池单体应用范围为3.2V~4.2V,标称电压为3.6V,需要串联42~64个电池单体，选用56个电池单体进行串联，电源系统的标称电压为201.6V,系统的电压范围为179.2V~235.6V,能够保证电机能够在正常电压范围内工作。(2)电源系统最大输出功率和电流的确定单个轮毂电机的最大功率为24.5kw，则两个电机的功率为49kw。假设电机转换效率以及控制器的效率分别为0.9及0.95,则整个电源系统需求的的最大功率为：Ρb=pper考虑到电池系统在最大功率时，电池的电压下降较大，一般认为取标称电压的90%来计算，则在电池输出最大功率时，电池系统的最大的电流为:Ιmax=Ρmax/(0.9∗V)=315.8A(2.6)(3)电源系统容量的确定依据整车设计基本要求，电动汽车以40km/h状态下，行驶距离不低于180km由公式(2.1)可知汽车在40km/h时，平均输出功率为2.394kw，汽车附件消耗的能源不超过电池组能量的15%，取附件耗能为0.359kw，电机的标称电压为201.6V,则电源系统的容量为:(2394+359)×180/（40×201.6）=61.5（A∙h)）(2.7)考虑到实际电池有效容量低于理论值，本课题取有效容量系数为0.7,则有实际电池容量不应小于91.056A.h。4、电源系统的结构(1)电池单体的选型本课题采用松下的NCR18650PF作为最基本的动力电池单体，其原因如下:(1)NCR18650PF电池单体最大能够承受3C倍率放电，在一定程度上能够满足峰值功率的需求，电池容量达到2700mA.h,质量较小，具有较高的比能量。(2)18650电池为圆柱型电池，电池具有较大的比表面积，在充放电过程产生的大量热量可以快速耗散掉，降低电池单体的工作温度。(3)18650型号锂离子电池产量大，在电动自行车动力电池领域有一定的应用，可靠性得到验证，并且配套的电池生产企业较多,可降低电动汽车动力电池模块产品化的成本，并且使用过程中也不存在电池单体的维护问题。NCR18650PF锂离子电池单体参数如表2.2所示项目规格项目规格电池型号NCR18650PF持续恒流放电最大电流10A正极材料镍酸锂（LiNiO2）氧化镍锂开路内阻值小于35mΩ标称电压306V质量小于47.5g标称容量2700mA·h充电温度范围10~45℃放电终止电压2.5V放电温度范围20~60℃充电电流1.37A/0.5C直径18mm充电电压4.20±0.03V高度65mm表2.2NCR18650PF锂离子电池单体参数【10】(2)电源系统参数匹配动力电池参数的匹配必须满足最大功率、电压、最大电流以及行驶里程的要求【11】,电池单体的标称电压为3.6V。假设电池系统需要m个电池串联，n个电池并联则有:m×3.6V≥201.6V(2.8)n×2.75A≥91.056A(2.9)则有m≥56，取m=56，n≥33，取n=36。则整个电池系统是由电池单体36并56串构成。动力电池系统参数匹配如表2.3所示。表2.3动力电池系统参数匹配电池参数参数值单个电池电压/V3.6电池数目/个2106电池系统总电压/V201.6电池系统总电容/（A）99整个电源系统串并联2016个电池单体，如果设计一个电池包的话，电池包单个尺寸和质量较大，不利于整体的装配，所以需要采用多个电池包的设计方案，本课题采用4个小的电池包，为了加工和维修方便，4个电池包尺寸大小规格一致，每一个电池包串并联电池的数量为504个，标称电压为100.8V,标称容量为49.5A.h.本课题设计的电池系统的组成如图2.1所示。图2.1动力电池系统组成图18650电池单体18650电池单体18并2并28串2串标称电压：201.6V标称电容：99Ah标称电压：100.8V标称容量：49.5Ah标称电压：201.6V标称电容：99Ah标称电压：100.8V标称容量：49.5Ah标称电压：3.6V标称电容：2700mA1.2电池包框架设计大容量的电池单体工艺复杂，制造成本及安全性都有很大问题，所以电源系统尤其是汽车的电池系统需要通过小容量的电芯并联或者串联组合，满足电动汽车的需求。(1)电池串并联方式的选择电池单体的连接方式影响电池的一致性、可靠性和使用寿命。图2.2串并模型图2.3并串模型串并模型和并串模型是常用的两种串并联模型假设图中模型的单体的故障的概率是相同的以及单体之间相互独立，则可以建立以下的的数学模型。串并联数学模型:Rs(t)=1-[1-Ri(t)]m(2.10)并串联数学模型:Rs(t)={1-[1-Ri(t)]m}(2.11)式中Rs(t)系统的可靠度,R(1,2..,n)表示第i个单元的可靠度,m表示并联的电池数，n表示串联的电池数。完成电池包的设计，需要504颗电池单体(18并28串或28串18并)。假设电池单体的可靠性为0.90(实际应大于0.90)，则采用不同方式可靠性计算结果如下:采用先并联后串联，系统的可靠度:Rs=[1-(1-0.90)18]28=0.999(2.12)采用先串后并的方式，系统的可靠度:RS=1-(1-0.90)28)18=0.775 (2.13)通过上面的计算，可以得到先并联后串联的方式要好于先串联后并联的连接方式。并联电池模块单个电池损坏，不会影响其他电池单元的工作，电池模块的容量会下降。只要合理的设计，并联的电池模块还会提高电池组的可靠性。王震坡、孙逢春【12】叫等人通过对比两种串并联方式的锂电池组在BYD6100运行500km静置10h后，对电池组电压进行一致性检测发现，采用先并后串的连接方式，电池电压分布较为集中，没有低电压的电池出现。先串联后并联的方式，电池电压分布区间较大，如果继续使用，将会影响电池电压的一致性，加快电池的损耗。先并联的电池单体可以相互的充放电，对电池的电压具有一定的均衡作用。锂电池充电方式是先恒流后恒定电压的方式，充电过程中每一个电压值会对应一个soc值。锂离子电池只要出现过充和过放现象，电池就会损坏或完全失效，所以BMS必须监测每一个电池单体的电压。从这个角度考虑，电池包采用先并联后串联的方式时，电池系统的BMS只需检测每一个电池模块的电压值,从而降低了BMS的设计要求【12】。(2)电池包的框架设计通过对比两种不同的串并联方式，先并后串电池组的可靠性、电池电压的一致性以及BMS计算成本都有较大优势，所以在本课题进行串并联设计时，采用先并后串的方式。电池包的基本框架如图2.4所示。图2.4电池包的基本框架电池包电池模块电池单体电池包电池模块电池单体18个并联28个串联标称电压：100.8V标称容量：49.5Ah标称电压：3.6V标称电容:2750mA标称电压：3.6V标称电压：100.8V标称容量：49.5Ah标称电压：3.6V标称电容:2750mA标称电压：3.6V标称电容：49.5mA电池包采用分层模式，每18电池单体并联成一个电池模块，再根据电池包的电压的需求，串联28个电池模块。电池模块的基本参数如下:U1=U0∙n=3.6V×1=3.6V(2.14)C1=C0∙m=2.75A∙h×18=49.5A∙h(2.15)式(2.14),(2.15)中其中C0,C1分别