1.2 动力电池及管理系统的应用要求

电动汽车的整车性能很大程度上取决于动力电池及其管理系统的性能。为了满足电动汽车的动力性、安全性、经济性以及环境友好性，车用动力电池系统应当满足以下应用要求：

①比能量高。提高动力电池的比能量能够大大改善目前电动汽车续驶里程较短的弱点，同时也有助于减少整车的质量和体积。

②比功率大。提高动力电池的比功率能够有效改善电动汽车的整车动力性，使其获得优异的加速性能。

③使用寿命长。电动汽车50%左右的成本来源于动力电池，因此延长动力电池的使用寿命能够大大降低动力电池的使用和维护成本，从而降低整车的成本。

④安全性高。能够有效降低因漏液、短路、碰撞等引起的车辆起火爆炸等危险事故的发生概率。

⑤可靠性高。提升动力电池应对复杂工况的适应能力，能够有效防止动力电池因工作环境剧烈变化、人为操作失误而导致的电池特性突变。

⑥高低温性能好。对于车辆运行环境的改变具有很强的适应能力，能够在较宽的温度变化区间内正常工作。

⑦自放电率低。低的自放电率能够降低动力电池在日益老化过程中的容量衰退速率，延长动力电池的使用寿命。

⑧价格低廉。降低动力电池的成本能够有效降低整车成本，提升电动汽车的产品竞争力。

⑨绿色环保。绿色环保的动力电池有助于动力电池回收再利用机制的规范化，防止动力电池对环境造成二次污染。

目前，商品化的电动汽车动力电池可根据其容量的大小和输出功率的高低划分为三类：能量型动力电池、功率型动力电池和能量/功率兼顾型动力电池。

①能量型动力电池通常具有较大的容量，并且可持续供给能量，常用于纯电动汽车和混合动力汽车。这类动力电池的总能量在整车能源配置中占有较大的比例，通常超过10kW·h。这样不仅有利于回收车辆制动反馈的能量，也可以增加车辆的纯电动续驶里程，降低污染物的总排放量。

②功率型动力电池的容量一般较小，可以满足瞬间大功率供电，常用于轻度混合动力汽车。这类动力电池主要用于吸收制动回馈的能量，同时为车辆起动、加速工况提供瞬间的额外能量。

③能量/功率兼顾型动力电池能量密度高，具备低电量区间的大功率输出能力和高电量区间的大功率接受能力，并且具有高能量、大功率兼顾的特性，常用于插电式混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)。

具体来说，不同类型的电动汽车具有不同的构型和工作模式，对动力电池的工作要求也不尽相同。下面分别介绍纯电动汽车、混合动力汽车和插电式混合动力汽车对车用动力电池的具体要求。

1.2.1 纯电动汽车

BEV是指利用动力电池作为储能动力源，通过动力电池向电机提供电能，驱动电机运转，从而推动汽车前进的一种新能源汽车。BEV的可行驶里程完全取决于动力电池的容量大小。动力电池的容量越大，整车的续驶里程就越长，但是动力电池的体积和重量也随之增大。因此，BEV需要根据设计目标、道路情况和行驶工况的不同来选择相应的动力电池，具体要求可归纳如下：

①动力电池组应具备足够的能量和容量，确保电池组连续放电的倍率一般不超过1C^[1]，峰值放电一般不超过3C。对于可回馈制动能量的纯电动汽车，电池组必须可以承受5 C的脉冲充电电流。

②动力电池在深度放电时尽可能不影响到使用寿命，必要时可以支持满负荷甚至全负荷放电。

③需要配备动力电池管理系统(Battery Management System，BMS)以便反馈和控制电池组的实时状态，确保动力电池组的安全性和高效性。

④由于动力电池组的体积和质量较大，电池箱的空间布置和安装都需要进行有针对性的研究和设计。

1.2.2 混合动力汽车

HEV是将传统内燃机系统与电力推进系统相结合的一种能源混合式的新能源汽车。一般来说，动力电池是HEV中电力推进系统的主要能量源。因此，在HEV的开发过程中，动力电池的相关设计同样需要经过详细且严谨的考虑。

一般来说，HEV不需配备容量太大的动力电池，但需要满足整车的瞬间大功率需求，即实现“小电池提供大电流”。与BEV不同，HEV存在串联式、并联式和混联式三种不同的结构形式，因此相对应的动力电池设计要求也有所不同。

①串联式HEV通常由发动机、发电机和动力电池组共同供能，动力电池的荷电状态(State of Charge，SOC)常处于较高的水平。因此，整车对动力电池的要求近似于BEV，但是动力电池的容量规格要求相对较小。

②并联式HEV的发动机和电机均可直接提供驱动力，不同的动力组合可以满足整车不同的功率需求。因此，整车可以采用容量较小的动力电池，但是电池的最大放电电流要求达到20C以上，以满足车辆加速或爬坡的瞬间大功率需求。

③混联式HEV并非单纯的串联式结构或并联式结构，而是由串联式结构与并联式结构复合而成的综合式结构，兼备了类似于串联式HEV和并联式HEV的所有工作模式。因此，需要根据实际情况综合考虑串联式HEV和并联式HEV的动力电池设计要求。

尽管不同类型的HEV对动力电池的工作要求各不相同，但归纳起来仍然存在一些共性的要求：

①动力电池的峰值功率(State of Power，SOP)应足够大，可以满足车辆短时间内大功率充放电需求。

②动力电池的使用寿命应尽可能长，至少满足约1000次的深度放电循环和40万次的浅度放电循环。

③动力电池的SOC应尽量保持在50%～85%的范围之内。

④需要配备BMS以便控制和反馈电池组的实时状态，确保动力电池组的安全性和高效性。

1.2.3 插电式混合动力汽车

PHEV是一种可以通过插电形式充电的混合动力汽车，同时兼有纯电动和混合动力两种模式，可以简单理解为纯电动汽车和传统混合动力汽车的融合。这类汽车通常要求在纯电动模式下的行驶里程能够达到几十千米，在混合动力模式下能够满足高速公路行驶，并且具备低SOC区间下的大功率输出能力。因此，PHEV动力电池的能量密度要求接近于BEV，而功率密度要求接近于HEV。事实上，由于PHEV的动力电池要求较高，其售价一般高于BEV和HEV。

1.2.4 相关研发指标

国家“十三五”重点规划明确了动力电池及其管理系统的相关指标，科技部2017年12月发布的《“新能源汽车”重点专项2018年度项目申报指南》中明确指出：

1.新能源乘用车

动力电池及其管理系统的设计需要满足高安全和高比能，要求动力电池系统的比能量≥210W·h/kg，循环寿命≥1200次［80%放电深度(Depth of Discharge，DOD)，模拟全年气温分布］，全寿命周期、宽工作温度范围内SOC、SOP和健康状态(State of Health，SOH)的估计误差绝对值≤3%，电池单体之间的最大温差≤2℃，快速充电至80%以上SOC状态所需时间≤1h，满足安全性等国标要求和宽温度使用范围要求，并符合ISO 26262 ASIL-C功能安全要求及行业标准要求，成本≤1.2元/W·h，完成热失控和热扩散事故致灾分析和危害评测，建立基于整车一体化的电池系统的设计、制造与测试规范。

2.电动客车

动力电池及其管理系统的设计需要满足高安全和长寿命，要求动力电池系统的比能量≥170W·h/kg，循环寿命≥3000次(80%DOD，模拟全年气温分布)，全寿命周期、宽工作温度范围内SOC、SOP和SOH估计误差绝对值≤3%，电池单体之间的最大温差≤2℃，快速充电至80%以上SOC状态所需时间≤15min，满足安全性等国标要求和宽温度使用范围要求，并符合ISO26262 ASIL-C功能安全要求及行业标准要求，确保单体热失控后30min内系统无起火爆炸，成本≤1.2元/W·h，完成热失控和热扩散事故致灾分析和危害评测，建立基于整车一体化的电池系统的设计、制造与测试规范。