CN114759276A - 一种动力电池系统、电动车辆及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池技术领域，具体的说是一种动力电池系统、电动车辆及设计方法。包括能量管理单元和动力电池单元；所述能量管理单元包括电源装置、控制装置和配电装置；所述动力电池单元包括储能装置、热管理装置和采样装置；所述配电装置串联在动力电池单元的高压接口与电装装置的直流母线接口之间；所述配电装置与控制装置通过低压线束连接；所述控制装置提供配电装置动作信号，配电装置动作实现开通和关断；所述储能装置固定在热管理装置上；所述采样装置与储能装置由低压线束连接，实现信号的传输本发明通过能量管理单元和动力电池单元的集成，实现高压系统的高度集成，实现整车级别的降重降本。

Description

一种动力电池系统、电动车辆及设计方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体的说是一种动力电池系统、电动车辆及设计方法。
背景技术
传统新能源动力电池总成与DC/DC、充电机分散布置，通过高压线束实现各部件间的电连接，造成电能损耗的同时影响了整车重量和成本。
传统动力电池方案中，高压配电单元和电池控制器内置于电池包，其相较电芯易损坏，当高压电单元和电池控制器等非储能部件发生故障需要整包拆卸进行检查和维修，耗时耗力，可维修性差。
同时包内存在较复杂的高压电气连接，造成了动力电池系统布置空间的浪费。
发明内容
本发明提供了一种动力电池系统、电动车辆及设计方法，通过能量管理单元和动力电池单元的集成，实现高压系统的高度集成，实现整车级别的降重降本，解决了现有传动动力电池存在的上述问题。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种动力电池系统，包括能量管理单元1和动力电池单元；所述能量管理单元1包括电源装置、控制装置和配电装置；所述动力电池单元包括储能装置、热管理装置和采样装置；所述配电装置串联在动力电池单元的高压接口与电装装置的直流母线接口之间；所述配电装置与控制装置通过低压线束连接；所述控制装置提供配电装置动作信号，配电装置动作实现开通和关断；所述储能装置固定在热管理装置上；所述采样装置与储能装置由低压线束连接，实现信号的传输。
所述电源装置包括DC/DC和OBC，用于交直流变换、升降压变换，满足动力电池单元充电过程电压变换需求；所述控制装置，用于接收动力电池单元发送的电压和温度信号，以及整车控制器下达的指令，使得充放电过程可控；所述配电装置包括主正继电器、主负继电器、快充继电器和熔断器，用于接收控制装置的指令，实现开通与关断。
所述热管理装置包括上板、下板和进出水管；所述上板平整，下板冲有流道；所述上板和下板固定连接后在与进出水管的接头固定；所述储能装置包括上箱体2、支撑板总成3、电芯集合4、箱体边框5、复合水冷板6、低压采样装置、高压连接装置、隔热装置和缓冲装置；所述能量管理单元1的壳体的下端与上箱体2固定；所述上箱体2的下端与支撑板总成3配合；所述支撑板总成3固定在箱体边框5上，实现对能量管理单元1的支撑；所述电芯集合4的下端与复合水冷板6接触；所述复合水冷板6与箱体边框5固定，实现对电芯的承载；所述低压采样装置、高压连接装置与电芯集合4激光焊接；所述隔热装置与缓冲装置固定连接；所述电芯集合4与箱体边框5卡接；所述采样装置与电芯集合4配合，用于采集电芯集合4的电压和温度信息，并且上报给控制装置。
所述能量管理单元1的壳体的下端通过密封垫或密封胶与上箱体2密封；所述上板和下板通过钎焊连接后在与进出水管的接头焊接；所述隔热装置与缓冲装置通过结构胶或双面胶进行粘接；所述电芯集合4与箱体边框5通过非金属过渡件卡接实现绝缘和限位。
所述复合水冷板6包括水冷板总成6a和底部板总成6b；所述水冷板总成6a和底部板总成6b固定连接；所述水冷板总成6a内嵌冷却水流道，冷却水流道与电芯集合4接触，实现冷却或加热。
一种电动车辆，包括一种动力电池系统。
一种动力电池系统的设计方法，用于设计一种动力电池系统，包括以下步骤：
步骤一、布置动力电池单元中的电芯集合4；
步骤二、对动力电池单元进行载荷分配；
步骤三、对动力电池单元中的箱体边框5的支撑梁进行设计；
步骤四、对能量管理单元1进行设计，对动力电池单元中热管理装置和采样装置进行设计，从而完成对动力电池系统的设计。
所述步骤一的具体方法如下：
将熔断器置于直流母线输出极一侧，电芯集合1、2、3……N需满足：
U1+……+UN/2＝UN/2+1+……+UN＝UO/2，其中N为偶数，且N≥4；
其中，N为电芯集合数；UN为电芯集合N输出端电压；UO为直流母线输出端电压。
所述步骤二的具体方法如下：
电池系统各区域载荷的质心应处于以质心边界几何中心为中心的区域内，且电池系统内部吊点即电池与车身固定点数量x满足：
x≥1，当G/A*B≤100kg/m2
x≥2，当100kg/m2＜G/A*B≤250kg/m2
x≥3，当G/A*B＞250kg/m2
其中，G为电池系统箱体总载荷；A电池系统X方向尺寸；B为电池系统Y方向尺寸。
所述步骤三的具体方法如下：
所述箱体边框5的支撑梁根据作用不同，设计要求如下：
1)抵抗电芯膨胀的支撑梁：电芯膨胀面沿X方向排布，Y方向边框强度抵抗电芯；
2)重量承载的支撑梁：水冷板总成6a与箱体边框5固定连接，水冷板总成6a被箱体边框5支撑梁分为多个区域，满足电池总成及零部件一阶模态≥30Hz-45Hz；
3)箱体密封：L≥固定螺栓法兰面直径φ+2m-φ+6mm；
其中，L为箱体边框5与上箱体2之间的密封面宽度。
本发明的有益效果为：
1)本发明通过能量管理单元和动力电池单元的集成，实现高压系统的高度集成，实现整车级别的降重降本；
2)本发明的电芯集合可以针对不同电芯材料体系调整电芯间隙，实现不同体系共用电池箱体；可以通过更换或升级电芯集合，匹配搭载车辆需求。同时动力电池系统总正总负输出与半电压正负极输出同在一侧，半电压正负极间串联熔断器，该熔断器位置与总正总负输出极布置于能量管理装置内，当车辆故障造成，熔断器损坏时方便更换与维修；
3)本发明电芯集合偶数列布置，集合N/2和集合N/2+1间串联熔断器，包括激励熔断器、智能熔断器等可以自主控制通断的熔断器，实现在整车发生碰撞、短路或热失控等非正常工作情境下及时断开，提高电池系统安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中储能装置的结构示意图；
图2为本发明中复合水冷板的结构示意图；
图3为本发明中动力电池系统的设计方法的流程图；
图4为储能单元和能量管理单元的结构示意图；
图5为质心位置要求示意图；
图6为本发明中动力电池系统的结构示意图。
图中：
1、能量管理单元；2、上箱体；3、支撑板总成；4、电芯集合；5、箱体边框；6、复合水冷板；6a、水冷板总成；6b、底部板总成。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参阅图6，一种动力电池系统，包括能量管理单元1和动力电池单元。
所述能量管理单元1包括电源装置、控制装置和配电装置。
所述动力电池单元包括储能装置、热管理装置和采样装置。
通过能量管理单元和动力电池单元的集成，实现高压系统的高度集成，实现整车级别的降重降本。
所述配电装置串联在动力电池单元的高压接口与电装装置的直流母线接口之间；所述配电装置与控制装置通过低压线束连接；所述控制装置提供配电装置动作信号，配电装置动作实现开通和关断；所述储能装置固定在热管理装置上；所述采样装置与储能装置由低压线束连接，实现信号的传输。
所述电源装置包括DC/DC和OBC，用于交直流变换、升降压变换，满足动力电池单元充电过程电压变换需求。
所述控制装置，用于接收动力电池单元发送的电压和温度信号，以及整车控制器下达的指令，使得充放电过程可控。
所述配电装置包括主正继电器、主负继电器、快充继电器和熔断器，用于接收控制装置的指令，实现开通与关断。
所述热管理装置包括上板、下板和进出水管；所述上板平整，下板冲有流道；所述上板和下板通过钎焊连接，再与进出水管接头焊接。
参阅图1，所述储能装置包括上箱体2、支撑板总成3、电芯集合4、箱体边框5、复合水冷板6、低压采样装置、高压连接装置、隔热装置和缓冲装置；所述能量管理单元1的壳体的下端与上箱体2固定；所述上箱体2的下端与支撑板总成3配合；所述支撑板总成3固定在箱体边框5上，实现对能量管理单元1的支撑；所述电芯集合4的下端与复合水冷板6接触；所述复合水冷板6与箱体边框5通过焊接、螺接、粘接等方式集成作为4电芯集合的承载结构，所述低压采样装置、高压连接装置与电芯集合4激光焊接；所述隔热装置与缓冲装置通过结构胶或双面胶进行粘接；所述电芯集合4与箱体边框5通过非金属过渡件卡接实现绝缘和限位；所述采样装置与电芯集合4配合，用于采集电芯集合4的电压和温度信息，并且上报给控制装置。
参阅图2，所述复合水冷板6包括水冷板总成6a和底部板总成6b；所述水冷板总成6a和底部板总成6b固定连接；所述水冷板总成6a内嵌冷却水流道，冷却水流道与电芯集合4接触，实现冷却或加热。
所述底部板总成6b采用高强钢或高强度复合材料对整个电源系统起到保护作用，防止底部磕碰造成冷却液泄露，甚至电芯损坏。
实施例二
一种电动车辆，包括一种动力电池系统，即包括能量管理单元1和动力电池单元。所述能量管理单元1包括电源装置、控制装置和配电装置。所述动力电池单元包括储能装置、热管理装置和采样装置。所述配电装置串联在动力电池单元的高压接口与电装装置的直流母线接口之间；所述配电装置与控制装置通过低压线束连接；所述控制装置提供配电装置动作信号，配电装置动作实现开通和关断；所述储能装置固定在热管理装置上；所述采样装置与储能装置由低压线束连接，实现信号的传输。包括实施例一所述动力电池系统的电动车辆通过能量管理单元和动力电池单元的集成，实现高压系统的高度集成，实现整车级别的降重降本。
实施例三
参阅图3，一种动力电池系统的设计方法，用于设计一种动力电池系统，包括以下步骤：
步骤一、布置动力电池单元中的电芯集合4；
参阅图4，所述步骤一的具体方法如下：
将熔断器置于直流母线输出极一侧，电芯集合1、2、3……N需满足：
U1+……+UN/2＝UN/2+1+……+UN＝UO/2，其中N为偶数，且N≥4；
其中，N为电芯集合数；UN为电芯集合N输出端电压；UO为直流母线输出端电压。
所述电芯集合4包括方壳电芯、软包电芯、圆柱电芯等多种电芯形式
电芯集合4偶数列布置，集合N/2和集合N/2+1间串联熔断器，包括激励熔断器、智能熔断器等可以自主控制通断的熔断器，实现在整车发生碰撞、短路或热失控等非正常工作情境下及时断开，提高电池系统安全性。
本发明的电芯集合4可以针对不同电芯材料体系调整电芯间隙，实现不同体系共用电池箱体；可以通过更换或升级电芯集合，匹配搭载车辆需求。同时动力电池系统总正总负输出与半电压正负极输出同在一侧，半电压正负极间串联熔断器，该熔断器位置与总正总负输出极布置于能量管理装置内，当车辆故障造成，熔断器损坏时方便更换与维修。
步骤二、对动力电池单元进行载荷分配；
参阅图5，具体方法如下：
电池系统各区域载荷的质心应处于以质心边界几何中心为中心的区域内，且电池系统内部吊点即电池与车身固定点数量x满足：
x≥1，当G/A*B≤100kg/m2
x≥2，当100kg/m2＜G/A*B≤250kg/m2
x≥3，当G/A*B＞250kg/m2
其中，G为电池系统箱体总载荷；A电池系统X方向尺寸；B为电池系统Y方向尺寸。
步骤三、对动力电池单元中的箱体边框5的支撑梁进行设计；
具体方法如下：
所述箱体边框5的支撑梁根据作用不同，设计要求如下：
1)抵抗电芯膨胀的支撑梁：电芯膨胀面沿X方向排布，Y方向边框强度抵抗电芯；
2)重量承载的支撑梁：水冷板总成6a与箱体边框5固定连接，水冷板总成6a被箱体边框5支撑梁分为多个区域，满足电池总成及零部件一阶模态≥30Hz-45Hz；
3)箱体密封：L≥固定螺栓法兰面直径φ+2m-φ+6mm；
其中，L为箱体边框5与上箱体2之间的密封面宽度。
电池系统内部与车身连接点数量与箱体单位面积载荷量支架的关系，实现系统的非冗余设计。
步骤四、对能量管理单元1进行设计，对动力电池单元中热管理装置和采样装置进行设计，从而完成对动力电池系统的设计。其中，
所述电源装置包括DC/DC和OBC，用于交直流变换、升降压变换，满足动力电池单元充电过程电压变换需求。
所述控制装置，用于接收动力电池单元发送的电压和温度信号，以及整车控制器下达的指令，使得充放电过程可控。
所述配电装置包括主正继电器、主负继电器、快充继电器和熔断器，用于接收控制装置的指令，实现开通与关断。
所述热管理装置包括上板、下板和进出水管；所述上板平整，下板冲有流道；所述上板和下板通过钎焊连接，再与进出水管接头焊接。
所述采样装置与电芯集合4配合，用于采集电芯集合4的电压和温度信息，并且上报给控制装置。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种动力电池系统，其特征在于，包括能量管理单元(1)和动力电池单元；所述能量管理单元(1)包括电源装置、控制装置和配电装置；所述动力电池单元包括储能装置、热管理装置和采样装置；所述配电装置串联在动力电池单元的高压接口与电装装置的直流母线接口之间；所述配电装置与控制装置通过低压线束连接；所述控制装置提供配电装置动作信号，配电装置动作实现开通和关断；所述储能装置固定在热管理装置上；所述采样装置与储能装置由低压线束连接，实现信号的传输。
2.根据权利要求1所述的一种动力电池系统，其特征在于，所述电源装置包括DC/DC和OBC，用于交直流变换、升降压变换，满足动力电池单元充电过程电压变换需求；所述控制装置，用于接收动力电池单元发送的电压和温度信号，以及整车控制器下达的指令，使得充放电过程可控；所述配电装置包括主正继电器、主负继电器、快充继电器和熔断器，用于接收控制装置的指令，实现开通与关断。
3.根据权利要求1所述的一种动力电池系统，其特征在于，所述热管理装置包括上板、下板和进出水管；所述上板平整，下板冲有流道；所述上板和下板固定连接后在与进出水管的接头固定；所述储能装置包括上箱体(2)、支撑板总成(3)、电芯集合(4)、箱体边框(5)、复合水冷板(6)、低压采样装置、高压连接装置、隔热装置和缓冲装置；所述能量管理单元(1)的壳体的下端与上箱体(2)固定；所述上箱体(2)的下端与支撑板总成(3)配合；所述支撑板总成(3)固定在箱体边框(5)上，实现对能量管理单元(1)的支撑；所述电芯集合(4)的下端与复合水冷板(6)接触；所述复合水冷板(6)与箱体边框(5)固定，实现对电芯的承载；所述低压采样装置、高压连接装置与电芯集合(4)激光焊接；所述隔热装置与缓冲装置固定连接；所述电芯集合(4)与箱体边框(5)卡接；所述采样装置与电芯集合(4)配合，用于采集电芯集合(4)的电压和温度信息，并且上报给控制装置。
4.根据权利要求3所述的一种动力电池系统，其特征在于，所述能量管理单元(1)的壳体的下端通过密封垫或密封胶与上箱体(2)密封；所述上板和下板通过钎焊连接后在与进出水管的接头焊接；所述隔热装置与缓冲装置通过结构胶或双面胶进行粘接；所述电芯集合(4)与箱体边框(5)通过非金属过渡件卡接实现绝缘和限位。
5.根据权利要求3所述的一种动力电池系统，其特征在于，所述复合水冷板(6)包括水冷板总成(6a)和底部板总成(6b)；所述水冷板总成(6a)和底部板总成(6b)固定连接；所述水冷板总成(6a)内嵌冷却水流道，冷却水流道与电芯集合(4)接触，实现冷却或加热。
6.一种电动车辆，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的一种动力电池系统。
7.一种动力电池系统的设计方法，用于设计一种动力电池系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、布置动力电池单元中的电芯集合(4)；
步骤二、对动力电池单元进行载荷分配；
步骤三、对动力电池单元中的箱体边框(5)的支撑梁进行设计；
步骤四、对能量管理单元(1)进行设计，对动力电池单元中热管理装置和采样装置进行设计，从而完成对动力电池系统的设计。
8.根据权利要求7所述的一种动力电池系统的设计方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法如下：
将熔断器置于直流母线输出极一侧，电芯集合1、2、3……N需满足：
U1+……+UN/2＝UN/2+1+……+UN＝UO/2，其中N为偶数，且N≥4；
其中，N为电芯集合数；UN为电芯集合N输出端电压；UO为直流母线输出端电压。
9.根据权利要求7所述的一种动力电池系统的设计方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法如下：
电池系统各区域载荷的质心应处于以质心边界几何中心为中心的区域内，且电池系统内部吊点即电池与车身固定点数量x满足：
x≥1，当G/(A*B)≤100kg/m2
x≥2，当100kg/m2＜G/(A*B)≤250kg/m2
x≥3，当G/(A*B)＞250kg/m2
其中，G为电池系统箱体总载荷；A电池系统X方向尺寸；B为电池系统Y方向尺寸。
10.根据权利要求7所述的一种动力电池系统的设计方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法如下：
所述箱体边框(5)的支撑梁根据作用不同，设计要求如下：
(1)抵抗电芯膨胀的支撑梁：电芯膨胀面沿X方向排布，Y方向边框强度抵抗电芯；
(2)重量承载的支撑梁：水冷板总成(6a)与箱体边框(5)固定连接，水冷板总成(6a)被箱体边框(5)支撑梁分为多个区域，满足电池总成及零部件一阶模态≥(30Hz-45Hz)；
(3)箱体密封：L≥固定螺栓法兰面直径φ+2m-φ+6mm；
其中，L为箱体边框(5)与上箱体(2)之间的密封面宽度。
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