CN109301141B

CN109301141B - 一种弱电磁干扰的动力电池系统及一种车辆

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Publication number: CN109301141B
Application number: CN201810941579.XA
Authority: CN
Inventors: 陈国强; 杨振鹏; 李艳杰; 高超
Original assignee: China Aviation Lithium Battery Co Ltd; China Aviation Lithium Battery Research Institute Co Ltd
Current assignee: Avic Innovation Technology Research Institute Jiangsu Co ltd; China Aviation Lithium Battery Co Ltd; China Lithium Battery Technology Co Ltd; CALB Technology Co Ltd
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2038-08-17
Also published as: CN109301141A

Abstract

本发明涉及一种弱电磁干扰的动力电池系统及一种车辆，动力电池系统包括电源端口和至少两个电池包，每个电池包均包括至少两个电池模组以及与各电池模组对应的接线端子，各电池包中的电池模组通过对应的连接导线依次连接。各连接导线首尾相连，而且，通过各个电池包将整个的电流回路分为多份，各份面积之和要比常规的整个电流回路形成的面积小得多，因此，这种方式能够降低整个电池系统电流回路所形成的面积大小，进而降低电磁干扰。而且，通过上述连接关系使各连接导线并列设置，且任意两个相邻的连接导线中的电流方向是相反的，相反电流产生的电磁辐射能够相互抵消，进一步降低电磁辐射干扰。

Description

一种弱电磁干扰的动力电池系统及一种车辆

技术领域

本发明涉及一种弱电磁干扰的动力电池系统及一种车辆。

背景技术

电气电子设备工作时产生的伴随电磁辐射是一类重要的干扰源，这种辐射之所以称为伴随辐射是因为它并不是设备为了完成预定的功能而必须发射的，所有的电气电子设备都必须尽量消除这种伴随辐射。

电磁波辐射的两个必要条件是天线和流过天线的交变电流。电气电子设备之所以会产生辐射性发射干扰，就是因为设备中包含了各种寄生的天线。只要消除寄生天线，或者降低这些天线的辐射效率，或者避免交变电流进入这些天线，辐射性的电磁干扰也就会减小甚至不再存在。

如图1所示，最基本的天线结构是电流环。根据辐射强度观测点到辐射源的距离，将区域分为近场区和远场区，其中，观测点到辐射源的距离小于λ/2π的区域称为近场区，观测点到辐射源的距离大于λ/2π的区域称为远场区，其中λ代表电流频率对应的波长。在远场区，电场辐射强度与电路的阻抗无关，表示式如下：

E＝1.3IAf²/D(μV/m)

式中：E——电路辐射的电场强度(μV/m)；I——电路中的电流(A)；A——电流回路的面积(cm²)；f——电流的频率(MHz)；D——观测点到电流环的距离(m)。

动力电池系统是电动客车上的动力核心，通常由一个高压箱和若干个电池包组成。电池包的尺寸比较大，数量也比较多，故动力电池系统在客车上布置也比较分散，常规的客车电池系统布置接线图如图2所示，高压箱布置在客车的尾部，电池包从车尾到车头布置，布置在客车车身两侧，动力线缆从高压箱出来后，将电池包1、电池包2、电池包3和电池包4串联起来，最后回到高压箱。因此，电动客车的电池系统包含高压箱和多个电池包，在客车车架上分散布置，电池系统的动力连线几乎环绕客车一圈，形成的回路面积非常大。根据电流环天线的辐射特性，动力电流回路的辐射强度与电流环路的面积成正比，如此大的回路面积会产生较强的电磁辐射。常规的电池系统在客车上布置以后，再与负载电机相连，就形成了一个非常大的电流环路，以一个12m长的客车为例，该电池系统动力回路形成的天线环路面积能达到约20m²。

在正常行车过程中，客车的动力电池系统回路上通过的电流如图3所示。该回路上通过交变电流，主频电流分量可达150A左右。通过傅里叶变换，从150kHz到1GHz范围内，都会存在一定的电流分量。根据上述的远场电场辐射强度计算公式，可以算出距离客车一定距离处的电场辐射强度。

因此，在电流的作用下，电流环路所形成的环路面积越大，电磁辐射强度越大，对电力电子设备的电磁干扰越大。

发明内容

本发明的目的是提供一种弱电磁干扰的动力电池系统，用以解决现有的电池系统形成的电流环路的面积较大，进而导致强电磁干扰的问题。本发明同时提供一种车辆，用以解决现有车辆中的电池系统形成的电流环路的面积较大，进而导致强电磁干扰的问题。

为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。

一种弱电磁干扰的动力电池系统，包括电源端口和N个电池包，N≥2，每个电池包均包括M个电池模组以及与各电池模组对应的接线端子，M≥2，所述动力电池系统还包括M条连接导线，各电池包中的第m个电池模组通过第m条连接导线依次连接，m＝1、2、……、M，第1条连接导线的正极端连接电源端口中的正极端口，第M条连接导线的负极端连接电源端口中的负极端口，任意两条相邻的连接导线通过相应的连通导线相连通。

各电池包中的各电池模组通过相应的连接导线依次连接，并且，任意两条相邻的连接导线通过相应的连通导线相连通，即各条连接导线首尾相连，整体电路结构形成由多条连接导线构成的往返式电路结构。而且，通过上述连接关系使各连接导线并列设置，通过各个电池包将整个的电流回路分为多份，各份面积之和要比常规的整个电流回路形成的面积小得多，因此，这种方式能够降低整个电池系统电流回路所形成的面积，进而降低电磁干扰。而且，各连接导线并列设置，任意两个相邻的连接导线中的电流方向是相反的，相反电流产生的电磁辐射能够相互抵消，进一步降低电磁辐射干扰。

进一步地，各条连接导线平行并列设置，能够进一步降低连接导线之间的距离，进而进一步降低连接导线所围成的面积，而且，由于连接导线之间的距离很小，并且任意两个相邻的连接导线中的电流方向是相反的，因此，这种方式能够进一步相互抵消相反电流产生的电磁辐射，进一步降低电磁辐射干扰。

进一步地，所述M等于2。

进一步地，各电池包的接线端子包括2个正极接线端子和2个负极接线端子，对于第1个电池包，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，用于连接所述电源端口，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子构成该电池包的第二连接器，用于连接第2个电池包；对于第i个电池包，i＝2、3、……、N-1，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，用于连接第i-1个电池包的第二连接器，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子构成该电池包的第二连接器，用于连接第i+1个电池包的第一连接器；对于第N个电池包，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子通过相应的连通导线进行连接。相邻电池包之间通过连接器进行连接，不但便于线路连接，而且，连接器在结构上较为独立，能够在一定程度上增强线路的电磁屏蔽性能。

进一步地，两条连接导线构成一条双芯电缆，用于将各电池包依次连接。采用双芯电缆，不但便于布线，还能够保证连接导线的平行，降低连接导线之间的距离，进而进一步降低连接导线所围成的面积，进一步相互抵消相反电流产生的电磁辐射，降低电磁辐射干扰。

一种车辆，包括一种弱电磁干扰的动力电池系统，所述动力电池系统包括电源端口和N个电池包，N≥2，每个电池包均包括M个电池模组以及与各电池模组对应的接线端子，M≥2，所述动力电池系统还包括M条连接导线，各电池包中的第m个电池模组通过第m条连接导线依次连接，m＝1、2、……、M，第1条连接导线的正极端连接电源端口中的正极端口，第M条连接导线的负极端连接电源端口中的负极端口，任意两条相邻的连接导线通过相应的连通导线相连通。

进一步地，所述M等于2。

附图说明

图1是电流环天线示意图；

图2是现有的客车电池系统接线原理图；

图3是客车电流放电曲线图；

图4是本申请提供的动力电池系统接线示意图；

图5是动力电池系统第一个电池包的组成结构示意图；

图6是动力电池系统最后一个电池包的组成结构示意图。

具体实施方式

车辆实施例

本实施例提供一种车辆，比如客车。该客车包括一种动力电池系统。由于客车的其他组成部分不是本申请的保护点，这里就不再赘述。

该动力电池系统具体是一种弱电磁干扰的动力电池系统，该动力电池系统包括电源端口和N个电池包，N≥2，N的个数根据实际情况进行设置。各电池包的布置位置不做限定，但是，一般来说，客车中的各电池包布置在不同的位置，而且，当各电池包布置在不同的位置时，该动力电池系统的技术效果更显著。电源端口包括正极端口和负极端口，那么，正极端口就是整个动力电池系统的总正，负极端口就是整个动力电池系统的总负。

对于任意一个电池包来说，该电池包包括M个电池模组，当然，还包括与各电池模组对应的接线端子，M≥2，M的个数根据实际情况进行设置。并且，各电池包中的电池模组的个数相同，均为M。

相应地，动力电池系统还包括M条连接导线，即电池包中的电池模组的个数与连接导线的个数相同，两者相对应。各电池包中的第m个电池模组通过第m条连接导线依次连接，m＝1、2、……、M，各条连接导线并列设置，为了将各条连接导线进行连通，形成一个完整的连接线路，那么，第1条连接导线的正极端连接电源端口中的正极端口，最后一条连接导线，即第M条连接导线的负极端连接电源端口中的负极端口，而且，任意两条相邻的连接导线通过相应的连通导线相连通。那么，通过各连接导线，整个动力电池系统的走线就是：从总负出发，连接第一个电池包中的第一个电池模组的负极，该电池模组的正极连接第二个电池包中的第一个电池模组的负极，该电池模组的正极连接第三个电池包中的第一个电池模组的负极，依次类推，第M-2个电池包中的第一个电池模组的正极连接第M-1个电池包中的第一个电池模组的负极，第M-1个电池包中的第一个电池模组的正极连接第M个电池包中的第一个电池模组的负极，上述连接线路构成第一连接导线。连接到第M个电池包，即最后一个电池包时，动力电池回路往回连接，即该第M个电池包中的第一个电池模组的正极连接第M个电池包中的第二个电池模组的负极，第M个电池包中的第二个电池模组的正极连接第M-1个电池包中的第二个电池模组的负极，第M-1个电池包中的第二个电池模组的正极连接第M-2个电池包中的第二个电池模组的负极，依次类推，第二个电池包中的第二个电池模组的正极连接第一个电池包中的第二个电池模组的负极，上述连接线路构成第二连接导线。第一个电池包中的第二个电池模组的正极连接第一个电池包中的第三个电池模组的负极，然后按照上述走线过程继续进行连接，直至连接到动力电池系统的总正。

因此，任意两个相邻的连接导线中的电流方向是相反的。

该动力电池系统中，将各电池包当作系统的各组成单元，通过连接导线将各组成单元依次连接。该动力电池系统对各电池包的电池模组进行重新排布和连接，各电池包中均设置有若干个电池模组，而且各连接导线采用往返连接的方式，与原有的电池系统动力回路走线绕车体一大圈相比，该动力电池系统的动力回路走线合理，通过往返连接的方式，大大减小了动力电流回路形成的面积，从而大大减小了动力电池系统的电磁发射，减弱了电磁干扰。

进一步地，各连接导线平行并列设置，能够进一步降低连接导线所围成的面积，而且，各连接导线平行并列设置，且任意两个相邻的连接导线中的电流方向是相反的，相反电流产生的电磁辐射能够相互抵消，进一步降低电磁辐射干扰。

为了便于说明，以下以4个电池包，且M＝2为例进行说明，即每个电池包包括两个电池模组。当然，M也可以是其他更大的整数，不管M具体是哪个数值，动力电池系统的接线走线均与以M＝2为例的系统接线的原理相同。

那么，如图4所示，动力电池系统中设置有高压箱，系统总正和总负设置在该高压箱中。从总负出发，连接电池包1中的第一个电池模组的负极，该电池模组的正极连接电池包2中的第一个电池模组的负极，该电池模组的正极连接电池包3中的第一个电池模组的负极，该电池模组的正极连接电池包4中的第一个电池模组的负极，上述连接线路构成第一连接导线。电池包4为最后一个电池包，动力电池回路往回连接，即电池包4中的第一个电池模组的正极连接电池包4中的第二个电池模组的负极。电池包4中的第二个电池模组的正极连接电池包3中的第二个电池模组的负极，电池包3中的第二个电池模组的正极连接电池包2中的第二个电池模组的负极，电池包2中的第二个电池模组的正极连接电池包1中的第二个电池模组的负极，上述连接线路构成第二连接导线。电池包1中的第二个电池模组的正极连接到动力电池系统的总正。

各电池包的接线端子包括2个正极接线端子和2个负极接线端子。对于第1个电池包，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，用于连接电源端口，即连接系统总正和总负，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子构成该电池包的第二连接器，用于连接第2个电池包；对于第i个电池包，i＝2、3、……、N-1，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，用于连接第i-1个电池包的第二连接器，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子构成该电池包的第二连接器，用于连接第i+1个电池包的第一连接器；对于第N个电池包，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子通过相应的连通导线进行连接。按照上文所述，以4个电池包为例，那么，对于电池包1至电池包3中的任意一个电池包，具有两侧接线端子，电池包1的两侧接线端子分别连接电池包2以及总正和总负；电池包2和电池包3的两侧接线端子分别连接两侧相邻的电池包。这里，上述各连接器以双芯屏蔽连接器为例。以电池包1为例，如图5所示，电池包1内部包含两路独立的电池模组BAT1和BAT2，为了保证电气安全性，还可以对两路电池模组进行绝缘耐压性能设计。两个电池模组分别引出铜排BAR1和BAR2，电池模组引出的铜排分别接到双芯屏蔽连接器XS1和XS2上，电池模组BAT1的正极连接到双芯屏蔽连接器XS1的正极接线端子上，电池模组BAT1的负极连接到双芯屏蔽连接器XS2的负极接线端子上，电池模组BAT2的正极连接到双芯屏蔽连接器XS2的正极接线端子上，电池模组BAT2的负极连接到双芯屏蔽连接器XS1的负极接线端子上。对于电池包4，电池包4只有一个连接器，为双芯屏蔽连接器XS3，电池包4内部包含两个电池模组BAT3和BAT4，如图6所示，电池模组BAT4的正极连接电池模组BAT3的负极，这两个电池模组相当于串联设置，电池模组通过铜排BAR3和BAR4连接双芯屏蔽连接器XS3，电池模组BAT3的正极连接到双芯屏蔽连接器XS3的正极接线端子上，电池模组BAT4的负极连接到双芯屏蔽连接器XS3的负极接线端子上。其中，利用铜排能够在保证电气安全设计前提下，使其围成的面积尽量小。另外，高压箱上的总正和总负也构成一个双芯屏蔽连接器。

为了进一步降低电流回路围成的面积大小，系统中的两个连接导线构成一个整体，为一条双芯电缆，具体为双芯屏蔽电缆。各电池包的双芯屏蔽连接器通过双芯屏蔽电缆进行相应连接，实现将各电池包依次连接。利用双芯屏蔽电缆能够在保证电气安全的前提下，平行走线，之间的间隙几乎为零，使得两条线路之间围成的面积尽量小，增强布线回路的可控性，以便最大限度的减小动力电流回路面积。另外，作为其他的实施例，还可以采用两条单芯屏蔽电缆。

另外，各电池包内的电池模组也进行了特殊排布，两个电池模组反向平行布置，不但降低了连接线路的复杂度，还能够从结构上使电池模组围成的面积最小。

本实施例采用50mm²双芯屏蔽电缆，电缆中的两个导电线芯之间的间距约18mm。使用双芯屏蔽电缆，电缆从高压箱出发，依次连接电池包1、电池包2、电池包3和电池包4。如图4所示，电池系统包含1个高压箱、4个电池包和4段双芯屏蔽电缆。从电池模组数量看，该电池系统包含8个电池模组。通过上述的电池包结构设计和电缆设计方式，实现8个电池模组首尾相连。电池系统工作时，放电电流从高压箱出发，通过电池包1、电池包2、电池包3，到达电池包4，再由电池包4返回电池包3、电池包2、电池包1，最后又回到高压箱。

从设计原理上，该电池系统具有以下优点：从电流环形天线产生电磁辐射的原理上进行了分析，根据天线辐射特性公式提出了降低电池系统电场辐射强度的方法，通过减小动力电池回路的面积来降低电场辐射强度。该方法对于降低磁场发射强度同样有效。与常规的客车用电池系统相比，本实施例提供的弱电磁发射的电池系统电池回路围成的面积仅有0.33m²，而同等客车布置安装条件下，如采用常规的电池系统设计方案，电池系统回路围成的面积有20m²。从电流环形天线面积看，大大减小了辐射回路面积。

按照前文所述的远场电场辐射强度计算公式对比本实施例的电池系统和常规电池系统在同等条件下的电场辐射强度。同等条件为：电池包数量相同，电池包和高压箱在客车上的布置位置相同，电缆在客车上的安装位置相同，环路中的电流值I相同，电流频率f相同，辐射强度观测距离D相同。将电池回路面积代入辐射强度计算公式，得到以下结果：

常规电池系统电场辐射强度：E1＝1.3×20If²/D(μV/m)；

本实施例电池系统电场辐射强度：E2＝1.3×0.33If²/D(μV/m)；

电场辐射强度减小：20lg(E1/E2)＝20lg60≈35dB。

由以上计算分析结果可知，采用本实施例提供的电池系统可以大大降低电池系统远场的电场辐射强度，降低幅度达到35dB。

从实际应用出发，本实施例制定了一套设计方案，可指导类似电池系统进行电池模组排布、电池包走线、电池系统布线设计和电缆及连接器的选型，可根据实际车辆情况对于电池系统进行灵活调整，可实施性强，而且能够实现电池包外部干扰辐射电流环路的最小化，同时走线简单，便于电池系统在整车上安装。该设计方案简单明了，未采用特殊材料，易于实现。

因此，采用双芯屏蔽连接器和双芯屏蔽电缆等具有较好电磁屏蔽性能的电气元件，能够极大减小电池系统回路的面积，减小电池系统工作时对外的电磁辐射强度，从而提高整个电池系统的电磁兼容性能。根据电池系统的电磁辐射指标要求确定双芯屏蔽电缆的选型。而且，通过模组结构排布和走线，两路内部电池模组围成的面积非常小。与原有的电池系统动力回路走线绕车体一大圈相比，该电池系统的动力回路走线合理，去线和回线基本重合，大大减小了动力电流回路的面积，从而减小电池系统的电磁发射。改变了传统电池包动力线一进一出的设计方式，采用电池包动力线两进两出的设计，实现单个电池包内部干扰辐射电流环路的最小化。因此，本实施例提供的动力电池系统从根本上解决了电磁干扰强的问题。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

动力电池系统实施例

本实施例提供一种动力电池系统实施例，由于该系统的结构以及工作过程在上述车辆实施例中已给出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。

Claims

1.一种弱电磁干扰的动力电池系统，其特征在于，包括电源端口和N个电池包，N≥2，每个电池包均包括M个电池模组以及与各电池模组对应的接线端子，每个电池包中的各电池模组依次平行布置，每个电池模组的正、负电极布置在平行方向的两端，每个电池包中任意相邻的两个电池模组中，位于同一端的两个电极极性相反，M≥2，所述动力电池系统还包括M条连接导线，各电池包中的第m个电池模组依次连接形成的连接线路称为第m条连接导线，m＝1、2、……、M，第1条连接导线的正极端连接电源端口中的正极端口，第M条连接导线的负极端连接电源端口中的负极端口，任意两条相邻的连接导线通过相应的连通导线相连通，各条连接导线平行并列设置。

2.根据权利要求1所述的弱电磁干扰的动力电池系统，其特征在于，所述M等于2。

3.根据权利要求2所述的弱电磁干扰的动力电池系统，其特征在于，各电池包的接线端子包括2个正极接线端子和2个负极接线端子，对于第1个电池包，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，用于连接所述电源端口，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子构成该电池包的第二连接器，用于连接第2个电池包；对于第i个电池包，i＝2、3、……、N-1，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，用于连接第i-1个电池包的第二连接器，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子构成该电池包的第二连接器，用于连接第i+1个电池包的第一连接器；对于第N个电池包，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子通过相应的连通导线进行连接。

4.根据权利要求3所述的弱电磁干扰的动力电池系统，其特征在于，两条连接导线构成一条双芯电缆，用于将各电池包依次连接。

5.一种车辆，其特征在于，包括一种弱电磁干扰的动力电池系统，所述动力电池系统包括电源端口和N个电池包，N≥2，每个电池包均包括M个电池模组以及与各电池模组对应的接线端子，每个电池包中的各电池模组依次平行布置，每个电池模组的两个电极布置在平行方向的两端，每个电池包中相邻的两个电池模组同一端的两个电极极性相反，M≥2，所述动力电池系统还包括M条连接导线，各电池包中的第m个电池模组依次连接形成的连接线路称为第m条连接导线，m＝1、2、……、M，第1条连接导线的正极端连接电源端口中的正极端口，第M条连接导线的负极端连接电源端口中的负极端口，任意两条相邻的连接导线通过相应的连通导线相连通，各条连接导线平行并列设置。

6.根据权利要求5所述的车辆，其特征在于，所述M等于2。

7.根据权利要求6所述的车辆，其特征在于，各电池包的接线端子包括2个正极接线端子和2个负极接线端子，对于第1个电池包，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，用于连接所述电源端口，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子构成该电池包的第二连接器，用于连接第2个电池包；对于第i个电池包，i＝2、3、……、N-1，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，用于连接第i-1个电池包的第二连接器，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子构成该电池包的第二连接器，用于连接第i+1个电池包的第一连接器；对于第N个电池包，该电池包的其中一个正极接线端子和其中一个负极接线端子构成该电池包的第一连接器，该电池包的另一个正极接线端子和另一个负极接线端子通过相应的连通导线进行连接。

8.根据权利要求7所述的车辆，其特征在于，两条连接导线构成一条双芯电缆，用于将各电池包依次连接。