01 电动汽车动力电池系统技术发展综述
1.1 电动汽车发展史
1.1.1 电动汽车第一个黄金时代
世界上第一辆电动三轮车由英国人Robert Davidson在1873年制造出来（早于内燃机汽车，1886年），它由铁锌电池（一次电池）提供电力。随着铅酸电池技术不断发展，电动汽车产品得到快速发展。19世纪20年代初，电动汽车在性能方面超过同时代其他类型汽车，电动汽车迎来了第一个“黄金时代”。.
1.1.2 电动汽车第二个黄金时代
第二次世界大战结束后，全球经济进入高速发展阶段，经济野蛮发展的同时，人类迎来了全球性的三大危机：资源短缺、环境污染、生态破坏。
20世纪70年代第四次中东战争的爆发导致原油价格的暴涨，触发了第二次世界大战之后最严重的全球性经济危机。环境污染加上石油危机，一度销声匿迹的电动汽车，在沉寂50年之后，迎来了第二个“黄金时代”。
1972年，宝马推出以铅酸电池供电，搭载与博世共同开发的电动马达的1602e橙色电动车。20世纪70年代，Sebring Vanguard推出了CitiCar电动车型，最高时速为70 km/h，续航里程为64~96 km。
这一时期电动汽车仍然采用铅酸电池，大而笨重，高效率电机技术也没有明显进展，一系列因素导致该时期的电动汽车只是昙花一现。
1.1.3 电动汽车第三个黄金时代
20世纪90年代，保护生存环境成为发达国家的紧迫任务，绿色低碳成为能源发展的主要方向，全球能源体系正在发生深刻变革，实现“以电力为中心”的用能模式转变，将是各个碳排放大国的重要目标，电动汽车第三次“黄金时代”悄悄来临。
1990年，通用公司推出Impact电动车。1996年，通用公司又推出EV1电动车型，最大续航旅程可以到144 km左右，最高时速128 km/h。1997年12月，丰田公司推出“普锐斯”车型。2008年，特斯拉研发了Tesla Roadster双座电动跑车，是世界上第一款大规模量产的电动跑车。2010年，通用汽车推出Volt增程式电动车，成为全球第一个量产增程式混合电动车的厂家。2012年6月，特斯拉的电动轿车Model S正式下线，截止2016年底，累计销量超过10万辆，带动了全球电动汽车市场的高速发展。
1.2 电动汽车Pack产品分类
1.2.1 动力储能电池的分类
作为动力电池系统的核心，储能电池的选择是至关重要的。一款可反复充电，能量密度高，使用寿命长，成本低的电池是电动汽车发展的核心。
按照储能电池类型，电池Pack产品大概走过了铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池三个时代。
1.铅酸蓄电池：电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。
2.镍氢电池：以镍氧化物作为正极，金属氧化物作为负极，碱液作为电解液。
3.锂离子电池：锂离子是一种依靠锂离子在正极和负极之间往返移动来工作的二次电池，锂离子电池具有长寿命、大倍率、高能量密度、无污染等显著优势，被广泛应用，成为发展最快的二次电池。
1.2.2 动力电池系统的功能分类
动力电池系统在整车上的功能是比较多样的，主要有发动机启停、发动机熄火滑行、制动能量回收、转矩助力、动力辅助、油电混合驱动、电力直接驱动等。可以划分为5个种类：微（弱）混，轻混，强混，插电式（含增程式），纯电动。
1.混合动力汽车动力电池系统
（1）微混系统：主要式是12V/48V系统，利用电动给汽车轻微助力，作用微弱。
（2）轻混及强混系统：HEV(hybrid electric vehicle)，即混合动力汽车。在行驶低速区发挥力量的电动机，和在高速区发挥力量的发动机相互补充。结构形式分为三种：并联式、串联式和混联式。
（3）插电式混动系统：PHEV(Plug-in hybrid electric vehicle)，既可以纯电行驶，也可以发动机行驶，更可以两种动力联合驱动行驶。根据结构不同，插电式混合动力系统可以分为：a.增程式插电混合动力系统 b.并联式插电混合动力系统 c.混联式插电混合动力系统.
2.纯电动汽车
纯电动汽车（BEV，Battery Electric Vehicle）是电动汽车发展的终极形态，完全以电力驱动汽车行驶。具有环保、省钱（电费低）、噪声小、节能、结构简单、驾驶体验好等优点。
1.2.3 动力电池系统在整车的安装位置
第一、尽可能在有限的空间内，布置更多的电量，达到更大的续驶里程。
第二、充分考虑电池包重量和形状对整车结构寿命的影响。
第三、充分考虑电池包位置对整车安全性能的影响。
第四、充分考虑电池包的散热条件。
第五、电池包安装位置会影响整车的轴荷分配和重心，进而影响驾驶体验。
安装方式主要有：“工”字型和“T”字型电池包安装，“土”字型电池包安装，一体式（滑板式）电池包安装。
1.3 电动汽车Pack的关键技术
电池Pack是由很多个单体（电芯）通过复杂的电连接工艺和机械连接工艺组成的，为了有效地、可靠地使用，还增加了许多的传感器和控制器，以及为满足恶劣环境使用的热管理系统，需要具备以下几个特征：
1.能量密度要高，用较小的体积和重量，装载更多的电量。
2.环境适应性要好，能够满足酷暑，严寒，涉水，高海拔，高盐雾等使用环境。
3.使用寿命要长，通常需要高频使用5~10年。
4.可靠性和安全性要好。
5.价格要便宜。
1.3.1 系统集成技术
Pack的开发和应用，最为核心的是机、电、热、化这四个方面。化学反应的数量规模，决定了电池的充放电能量；化学反应的快慢，决定了电池的充放电速度；化学反应的可控和不可控，决定了电池的安全性；化学反应的可逆程度，决定了电池的寿命。
系统集成就是在与梳理机、电、热、化之间的相互关系，相互作用，相互影响，定量和定性地分析产品是否可以满足产品的设计指标。
1.3.2 电芯设计及选型
在电池包产品的设计中，电芯的设计与选型最为关键。需要着重关注的要素：电性能（能量密度及功率密度）、外形尺寸、循环寿命和日历寿命、单体成本等。除此之外，还需要考虑产品的技术成熟度、供货周期、产品生命周期等。
1.3.3 结构设计技术
电池包的结构设计，是根据整车对于电池包的产品功能要求、性能要求、包络尺寸要求、重量要求、挂点要求、接口要求、防护要求等，确定合适的箱体设计和电池包内部的电池模组设计、电连接设计、紧固设计等，其中最重要的是电池模组和箱体设计。
电池模组设计需要考虑所选电芯型号、模组能量密度、电流密度、外轮廓尺寸、机械接口、电气接口、模组加热/散热、隔热、防火阻燃等因素，需要满足振动、翻滚、跌落、滑车、挤压、绝缘、针刺、海水浸泡等方面的要求。
电池包箱体设计，需要考虑电池包外包络尺寸、电池模组尺寸、电池包结构强度、机械接口、电气接口、电池包能量密度、功率密度、加热/散热要求、保温要求、防护要求、制造工艺、成本等方面因素，还需要满足振动、冲击、翻滚、跌落、滑车、碰撞、密封防护、接触防护、绝缘防护、等电位、防火阻燃、泄压防爆等方面的要求。
1.3.4 电池包电子电气
电气设计主要指高低压线束、连接器、铜巴、汇流排、端子、继电器、保险丝等，需要考虑的是载流能力、接触阻抗、耐压等级、机械特性、阻燃等级、老化特性、耐腐蚀、绝缘防护、密封要求、连接工艺、制造和加工成本等。
电子设计，主要是指电池管理系统的设计，包含硬件设计和软件设计两部分。
1.3.5 电池包热设计
电池包热设计有两个目标：控制电芯的工作温度和控制不同电芯的温差。前者会影响整个电池包的性能和寿命，后者会严重影响电池包内部的短板效应，导致电池组一致性变差。为了达到这两个设计目标，需要考虑加热、散热、热均衡、保温等4个方面的措施。
对于电芯来说，20~30℃是其最佳工作温度，电芯温度差控制在5℃内比较合理。对于散热设计有自然冷却、风冷、液冷、冷媒直冷等几种方式，换热系数是关键的指标。对于加热设计而言，可以考虑的加热方式有加热膜、PTC、液热等几种方式。
1.3.6 电池包安全设计
1.化学安全
电芯发生热失控，可能会产生电解液泄漏、起火和燃烧等现象，需要考虑的情况包括：
◆ 额定范围内的正常工况
◆ 长距离运输和长时间存储
◆ 极端情况，如针对电芯的过充、过放、挤压、穿刺、火烧等。
2.电气安全
◆ 绝缘配合 ◆ 等电位（接地） ◆ 短路防护 ◆ 绝缘状态监控
◆ 高压连接器互锁 ◆ 电磁兼容性 ◆ 故障自诊断
3.机械安全
◆ 密封防护 ◆ 振动 ◆ 冲击 ◆ 碰撞 ◆ 跌落 ◆ 碎石冲击
◆ 重物锤击 ◆ 翻滚 ◆ 金属物穿刺 ◆ 燃油火烧（针对混合动力车）
4.功能安全
1.3.7 电池包仿真分析技术
电池包仿真分析可以分为结构仿真、热流体仿真、电化学仿真三大类。结构仿真内容包括拓扑优化、形貌优化、形状优化、尺寸优化、静强度优化、密封界面分析、模态分析、随机振动分析、机械冲击分析、滑车分析、挤压分析等。热流体仿真内容包括电化学-热力学耦合仿真、热场分布、流程分布、热失控仿真等。
1.3.8 电池包工艺设计
电池包的装配过程，可以分为电池模组装配、电池包箱体装配、下线测试三个大的阶段。电池模组装配阶段，关键工艺有分容、清洗、入壳、焊接、涂胶、测试等。电池包箱体装配阶段关键工艺有电池模组安装、水冷组件安装、线束连接、紧固件装配、壳体安装、连接器安装等。电池EOL(end of line)，即下线测试包括功能测试、安全测试、气密性测试、容量测试等。
1.4 我国电动汽车Pack技术及发展趋势
1.4.1 我国新能源汽车的发展阶段
1.4.2 我国政府制定的2020年关键技术指标
1.4.3 技术挑战及发展趋势
◆ 系统集成效率的大幅度提升
◆ 广泛的温度适应性
◆ 3~4C的快充成为标配
◆ 与车同寿命的电池包产品
本文用于学习记录及分享，不作其他用途。摘自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》/王芳，夏军等著.—北京：科学出版社，2017.8
