国家新能源汽车补贴政策的颁布，以及新能源汽车积分制度的提出，足以看出政府对发展新能源汽车的决心；同时在技术层面，中国汽车工程学会也发布了《节能及新能源汽车技术路线图》，总体方针是以纯电动力作为突破口和基础平台，带动混合动力汽车、燃料电池汽车全方位发展，最终形成新能源汽车的总体竞争优势。倡导纯电动车汽车，首先要大力发展核心部件动力电池的技术，因为其直接关系到电动汽车的续航里程、使用安全和成本等。
动力电池分类
从铅酸电池、镍氢电池，再到锂离子电池（锂电池），车用动力电池也走过了漫长的过程。目前已经量产的锂电池，其主要差异在产品的外形和正极材料，以下所阐述的分类对比正是围绕这两个方面来展开。
1.正极材料分类
图1 锂电池对比分析
图2 锂电池各项指标参数对比分析
当前按照正极材料，锂电池可以分为钴酸锂、磷酸铁锂 、锰酸铁锂和三元锂。以下从成本、能量密度、布置灵活性、寿命和安全性等方面对比分析这四种典型锂电池的特点，具体见图1和图2。
2.电池封装形式分类
图3 常见动力电池电芯类型
动力电池虽然有很多不同的外形和大小，但常用的可以按照图3所示的方式分类。
动力电池包整车架构集成
在纯电动车项目前期架构开发中，如何合理布置集成动力电池包是至关重要的，具体工作要素，主要涉及离地间隙、通过性、碰撞安全和电量需求等几个方面，以下将分别介绍。
1.电池的离地间隙要求
图4 动力电池离地间隙及周边布置环境
如图4所示，在电池下表面有结构件保护的情况下，同时也需要满足以下条件：最大上跳的状态下，电池距离地面需要保证一定的间隙；满载状态下保证具有竞争性的离地间隙；电池RESS在正向需要有保护；电池RESS布置不得低于周边车身结构的最低面。
2.乘员舱人机布置对电池Z向尺寸的限制
图5 人机布置及Z 向尺寸链
从图5某电动车项目人机布置可以看出，在Z向纬度上共有9个工程指标需要考虑，具体为乘员H点到地面的距离H5、乘员的坐高H30、头部空间H61、脚踵点到地面的距离H8、电池包Z向厚度、电池包离地间隙、车高H100、电池包上表面到地板上表面的距离以及地毯和隔音棉的厚度。由此根据造型要求限定了车身的高度，依据人机布置要求，可以推出电池包的Z向尺寸限制面。
3.溃缩空间对电池Y向尺寸的限制
图6 电池包Y 向尺寸限制分析
由于电池的工作电压一般为大于300 V的高压电，加上电池单体里的电解液具有高腐蚀性，因此电池包在整车布置时需要设置合理的安全溃缩间隙，其中侧向碰撞工况尤为苛刻。具体车型要通过CAE迭代分析手段，得出合理的电池到门槛板侧向溃缩距离设计。
4.后悬架形式对电池X向尺寸的限制
图7 不同悬架形式后轮心对齐对比
表1、表2和图7为某电动车项目电池X向尺寸限制尺寸与不同悬架形式的对应关系，其中前轮心到1.5号梁X向具体是指紧贴电池前表面的1.5号梁到前轮心的X向距离，可以近似为电池前表面到前轮心的距离，则不同悬架型式在X向的长度不同导致对于电池的X向尺寸限制存在差异。其中安全后碰距离指电池后表面在X向上到后桥最近点的数值须大于50 mm。
5.整车载荷传递路径对电池包设计的限制
整车载荷传递路径可以大致分解为：前舱载荷路径、前中地板载荷传递和后地板载荷路径。由于未来的电池包布置方案基本都在地板下方平铺，所以前中地板载荷传递路径设计与电池包的结构方案息息相关。
根据大量的CAE分析及竞争车型研究，一般在前中地板的上方会布置两根横梁，其主要功能是作为座椅支撑结构、防止碰撞时座椅被拉拽，同时也承载柱碰时的载荷传递。对于地板下方的电池包内部结构设计，也希望尽量使前后模组之间的横梁与2号、3号梁的位置偏差最小，可以起到提高侧面碰撞时电池的抗压能力。
图8 前中地板上方载荷传递路径集成方案
经过拓扑优化，对于地板下方的载荷传递，主要是通过布置电池侧面的纵梁延伸梁及电池前方的1.5号梁来完成，具体如图8所示，图中紫色纵向梁通过三角形结构及1.5号梁与前舱纵梁连接，进行正面碰撞的载荷传递；同时电池框架也应作为载荷传递路径与车身载荷路径一起配合；电池包内部的梁结构应与车身2/3/4号梁、中央通道梁位置保持一致。
6.续航里程对于电量的需求
对同样的电池单元模组，续航里程和电池的能量密度及容量有关，而电池的容量参数又是由其内部电芯单体串并联的数量和方式所决定的，最终会导致电池包整体形状和大小的变化。表2详细列举了不同供应商电池包在相同续航里程目标要求下，由于单体和模组的能量密度及串并联方式的不同，导致电量及电池包尺寸的差异化。
7.电池包安装接口要求
电池包在整车上的安装方式直接影响其模态和强度，一般在电池包四周每隔一段距离需要布置一个安装点，如果整体电池包长度大于2 m，建议在中间位置增加吊挂点改善模态。
8.电池包外部保护要求
图9 电池包底护板方案
电池RESS作为重要的安全件，需要在整车级别上设计一系列的结构方案去保护它。一般成熟的方案是在电池的底部增加钢制材料的防护板，与电池底板螺接固定，同时还需在安装点附近涂抹密封胶，防止在车辆使用过程中异物及水的浸入，具体方案如图9所示。
结语
本文只重点介绍了动力电池包在整车前期架构布置集成中需要考虑的因素，并未过多分析电池包与电动机的系统电压匹配、电池包的冷却设计及目标电量的选择等方面内容，但在实际项目中，这些设计指标也是直接影响车型电池包设计的关键要素，都需要深入研究分析。
电动汽车资源网 ZLG致远电子
电源模块作用是为微控制器、集成电路、数字信号处理器、模拟电路及其他数字或模拟负载供电。电源模块虽然可靠性比较高,但在使用过程也可能出现故障,主要的故障原因分为两大类:参数异常和使用异常。下文将分析较为常见的电源模块参数异常故障问题,提供相应的解决方案,其中的某些故障,您或许也遇到过。
一、输入电压过高
针对电源模块输入参数异常——输入电压过高。这种异常轻则导致系统无法正常工作,重则会烧毁电路。那么输入电压过高通常是哪些原因造成的呢?
l 输出端悬空或无负载;
l 输出端负载过轻,轻于10%的额定负载;
l 输入电压偏高或干扰电压。
针对这一类问题,可以通过调整输出端的负载或调整输入电压范围,具体如下所示:
l 确保输出端不小于少10%的额定负载,若实际电路工作中会有空载现象,就在输出端并接一个额定功率10%的假负载;
l 更换一个合理范围的输入电压,存在干扰电压时要考虑在输入端并上TVS管或稳压管。
二、输出电压过低
针对电源模块输出参数异常——输出电压过低。这可能会导致整体系统不能正常工作,如微控制器系统中,负载突然增大,会拉低微控制器供电电压,容易造成复位。并且电源长时间工作在低输入电压情况下,电路的寿命也会出现极大的折损。因此输出电压偏低的问题是不容忽视的,那么输出电压过低通常是那些原因造成的呢?如下图1所示。
l 输入电压较低或功率不足;
l 输出线路过长或过细,造成线损过大;
l 输入端的防反接二极管压降过大;
l 输入滤波电感过大。
图1 输出电压过低原因
针对这一类问题,可以通过调整供电或者更换相应的外围电路来改善,具体如下所示:
l 调高电压或换用更大功率输入电源;
l 调整布线,增大导线截面积或缩短导线长度,减小内阻;
l 换用导通压降小的二极管;
l 减小滤波电感值或降低电感的内阻。
三、输出噪声过大
针对电源模块输出参数异常——输出纹波噪声过大。众所周知,噪声是衡量电源模块优劣的一大关键指标,在应用电路中,模块的设计布局等也会影响输出噪声,那么输出纹波噪声过大通常是哪些原因造成的呢?
l 电源模块与主电路噪声敏感元件距离过近;
l 主电路噪声敏感元件的电源输入端处未接去耦电容;
l 多路系统中各单路输出的电源模块之间产生差频干扰;
l 地线处理不合理。
ZDS2024示波器测试有较大噪声干扰问题的电源模块,如图2所示:
图2 电源纹波波形图
针对这一类问题,可以通过将模块与噪声器件隔离或在主电路使用去耦电容等方案改善,具体如下:
l 将电源模块尽可能远离主电路噪声敏感元件或模块与主电路噪声敏感元件进行隔离;
l 主电路噪声敏感元件(如:A/D、D/A或MCU等)的电源输入端处接0.1μF去耦电容;
l 使用一个多路输出的电源模块代替多个单路输出模块消除差频干扰;
l 采用远端一点接地、减小地线环路面积。
四、电源耐压不良
针对电源模块性能参数异常——电源模块的耐压不良。通常,隔离电源模块的耐压值高达几千伏,但可能在应用或测试过程中出现不能达到该指标的情况,那么哪些因素会大大降低其耐压能力呢?
l 耐压测试仪存在开机过冲;
l 选用模块的隔离电压值不够;
l 维修中多次使用回流焊、热风枪。
用耐压仪测试电源模块隔离电压的方法如图3所示:
图3 耐压测试图
针对这一类问题,可通过规范测试和规范使用两方面改善,具体如下所示:
l 耐压测试时电压逐步上调;
l 选取耐压值较高的电源模块;
l 焊接电源模块时要选取合适的温度,避免反复焊接,损坏电源模块。
五、电源模块启动困难
首先是破坏力较小的情况——电源模块在启动中出现启动困难,甚至启动不了。大家在使用电源模块过程中可能会出现电源模块输出端电压正常,输出端就是没有任何输出,电源模块也无损坏,是什么原因呢?具体原因如下所示:
l 外接电容过大;
l 容性负载过大;
l 负载电流过大;
l 输入电源功率不够。
针对这一类问题,可以通过调整输出端的电容以及负载或调整输入端的功率进行改善,具体如下所示:
l 外接电容过大,在电源模块启动时向其充电较长时间,难以启动,需要选择合适的容性负载;
l 容性负载过大时需先串联一个合适的电感;
l 输出负载过重时会造成启动时间延长,选择合适负载;
l 换用功率更大的输入电源。
六、模块发热严重
较启动困难而言,更为严重的使用异常情况是电源模块在使用的时候发热很严重。出现这种现象的根本原因是由于电源模块在电压转换过程中有能量损耗,产生热能导致模块发热,降低电源的转换效率。这会影响电源模块正常工作,并且可能会影响周围其他器件的性能,这种情况需要马上排查。那么什么情况下会造成电源模块发热较严重呢?具体原因如下所示:
l 使用的是线性电源模块;
l 负载过流;
l 负载太小:负载功率小于模块电源输出功率的10%,都会有可能会导致模块发热(效率太低);
l 环境温度过高或散热不良。
热成像仪观测下的发热电源模块如图4所示:
图4 电源模块热成像图
针对这一类问题,可以通过外在环境的优化或通过调整负载来改善,具体如下所示:
l 使用线性电源时要加散热片;
l 提高电源模块的负载,确保不小于10%的额定负载;
l 降低环境温度,保持散热良好。
七、模块电源损坏较快
那么比电源模块发热更为严重的使用异常情况自不必多说,那就是这个电源模块直接损坏了。那么电源模块使用没多久就损坏,并且更换后没几天又坏了,这是什么原因导致的呢?首先需要排除掉是否是使用劣质的电源这一情况,那么还有哪些因素会导致这一问题呢?具体原因如下图5所示:
l 输出负载过轻使其可靠性降低所致;
l 输出端电容过大导致模块启动时造成损坏;
l 输入端电压长期偏高导致模块输入端开关管损坏。
图5 电源模块损坏
这一类问题也是负载不匹配导致的,可以通过改变输出负载、电容或者改变合适的输入电压通过改善,具体如下:
l 确保输出端不小于少10%的额定负载,若实际电路工作中会有空载现象,就在输出端并接一个额定功率10%的假负载;
l 选取符合电源模块技术手册规格的电容;
l 选择合适的输入电压。
八、电源模块上电后快速烧毁
较于上一种电源模块损坏的情况而言,更可怕的情况就是,不仅坏了电源甚至把整个电路都烧毁了。具体的现象就是电源模块刚上电就烧毁冒烟了,输入端的电容炸裂,如图6所示,这一类问题是最为严重的,需要在前期设计中尽量避免,那么若是已经发生了这一情况,它到底是什么原因导致的呢?具体如下所示:
图6 电源模块烧毁
l 输入电压极性接反了;
l 输入电压远远高于标称电压;
l 输出端极性电容接反了;
l 输出电路易引起短路或者外接负载在上电瞬间存在大电流。
这一类问题是最为严重的故障,需要重新检查一遍电路进行相应优化或者调整电压,具体如下所示:
l 接线前注意检查或加防反接保护电路;
l 选择合适的输入电压;
l 上电前检查电容极性,确保正确;
l 在电源模块输出端加短路保护。
联系客服
