电动汽车电池系统集成与网联化发展研究.pdf

42汽车工业研究季刊2023年第2 期.新能源NowewenergyDOl:10.3969/j.issn.1009-847X.2023.02.009电动汽车电池系统集成与网联化发展研究李泽艺曾文波骆立良莫伟标张松飞摘要：随着国内汽车行业全产业链的持续性技术研发投入和宏观政策支持，自主品牌电动汽车已形成了初步的技术积淀，近两年的市场销量也实现长足的进步。目前代表消费者诉求的电动化、智能化、网联化和共享化浪潮，已逐步成为行业共识，本文将针对行业内的重要技术革新进行分析，并展望未来技术发展应用前景。关键词：电动汽车 集成电动化 智能化在可持续发展与倡导清洁能源的背景下，电动汽车近些年来得以迅猛发展，市场接受度也在逐步提高。与此同时消费者对电动汽车的态度也从最初的电动化技术尝鲜，衍生出了智能化、网联化和共享化的新需求，汽车不再是普通交通工具，而是寄予了情感化诉求的科技载体。消费者在用车过程中最为关切的两个方面，分别是电动化技术和智能网联化水平，前者直接关系到整车最重要的加速、能量消耗以及续驶里程表现，后者是车辆从简单的工具属性向娱乐智能网联平台延伸的载体。本文将对行业内电池系统集成的重要技术进步，以及整车网联化方面的技术进展进行研究分析。引言电池包集成技术分析众所周知，电池包是整车成本占比最高的部件，最高可达40%，主机厂及供应商都必须在不断提高电池包性能的同时，通过技术手段尽可能平衡原材料成本上涨所带来的巨大压力。电芯形态、正负极材料配比、Pack级别的系统集成技术和电压平台是电池包的重要技术差异点。1.1电芯形态演变在电芯技术路线方面国内外呈现出明显的不同，以松下、三星为代表的日韩企业是圆柱电芯的代表，国内宁德时代、中航锂电是方壳电芯的代表，比亚迪近年另辟径开发的刀片电池则是一种更加特殊的形态。为追求更高的能量密度和功率密度，各种形态的电芯均向加大单体体积的方向攻坚。其中特斯拉圆柱电芯技术的演变具有典型参考意义，从搭载在models车型的初代18650电芯，到2 0 17 年开发出2 17 0 0电芯，再到2 0 2 1年发布的46 8 0 电芯，每一步都在向直径更大、高度更高的维度发展4680电芯通过加大单体体积，容量相比2 17 0 0 电芯提升了5倍，通过能量体积比的提高，能量密度提升了2 0%达到了30 0 Wh/kg，电芯成本反而降低了14%，表面积增大也带来了更强的散热能力和更大的放电倍率。如下页图1所示的全极耳设计，是46 8 0 电芯更为激进的一次技术创新。电子通过负极极耳流向正极极耳，电池内阻与电子流通路径长度成正比，与流经宽度成反比，传统电芯仅有两个分别连接正负极的极耳，而46 8 0 电芯直接在正负极上剪出极耳，从而大大缩短了正负极极耳间距，降低了电子的流经长度，增加了流经宽度，从而大幅降低内部损耗并提升充放电功率。结合大电芯和全极耳技术，46 8 0 电芯显著提升了能量密度、电池功率、循环性能，并且有效降低了生产成本。汽车工业研究季刊2023年第2 期43新能源Newewenergy负极隔膜正极电子传递路径图1全极耳电芯设计1.2电池包系统结构集成在宝贵的底盘空间装载尽可能多的电量，提高体积利用率是系统集成的目标。初期的电池包集成设计受大众、奥迪等企业的标准化模组理念影响较大，从355模组发展出了59 0 大模组方案，虽然集成效率得到一定提高，但是依然无法摆脱cell-module-pack的范畴，包内用于固定模组的纵横梁依然占据了较大的空间。为进一步提高电池包的集成效率，出现了cell-pack的无模组CTP集成方案，通过省去数量繁多的纵横梁结构件、加强筋、连接线束和采样板等，体积利用率可至少提高20%。当电池包内部空间得到充分利用之后，电池包与车身底盘的集成便成了下一个突破点。目前投入量产的电池包系统集成案例有零跑的CBC、比亚迪的刀50%40%30%30%25%20%20%20%10%0%零部件数量体积利用率生产效率整车刚度图2 CTC方案优化对比片电池CTB和特斯拉的CTC电底盘方案。三种方案的集成度逐渐提高，而对车身的改动和装配难度也是逐级变大，三种方案对比如表1。CBC方案取消了电池包上盖，电池包与车身地板直接密封装配，整体改动较小。CTB方案则更进一步，在取消上盖的基础上，将上盖与乘员舱地板进行集成，从而达到提高集成效率目的。集成度最高的CTC方案，则是将传统意义的电池包上盖、乘员舱地板以及地板横梁三者进行了集成，电池包与整车的装配方式也随之发生改变，在提升体积利用率的同时，使装配效率和工序都得到极大的优化，CTC方案优化程度如图2。1.3电压平台提升提高补能速度是降低用户续航和充电焦虑的关键，目前提高补能效率的主流解决方案有大电流充电表1三种方案对比CBCCTBCTC集成度变动量上盖上盖变化点上盖地板地板横梁和高压平台充电两种。特斯拉和极氪是高倍率大电流快充的代表，在400V的电压平台可达到2 50 kW的峰值功率，但是根据式1焦耳定律，大电流充电过程将产生成倍的热量损耗，所以必须匹配更粗的线束并要有更高的散热能力，推广成本较高。Q=PRt(1)目前发布8 0 0 V高电压平台的车企越来越多，切换8 0 0 V架构后充电速率更高，从而充电时间可减少一半。相同功率下需求的工作电流小电能损耗少，车内线束成本和重量均可降低，两种电压平台线径对比如图3。开发8 0 0 V高压平台是牵一发而动全身的系统工程，如果所有部件均切换高压，则与高压电池系统匹配的驱动电机、电机控制器、空调压缩机以及DCDC等系统必须提高耐压等级，对线缆、继电器、保险丝400V800V图3高低压平台导线对比44汽车工业研究季刊2023年第2 期新能源Newewenergy400V800V电压空调压缩机其他电池直流800V转40 0 V充电接口高压转换器400V转8 0 0 V直流车载充电机800V800VPTCPDU动力电池交流转8 0 0 V交流车载充电机充电接口800V前电机驱动电机控制器800V后电机驱动电机控制器图4高压平台兼容方案图5整车架构演变及功率半导体等各类元器件的安全穴余设计也提出了更高的要求，为降低开发难度，现阶段可采用电池包、驱动电机、充电系统等动力系统高压化，而空调、加热器等辅助部件采用40 0 V现有成熟产品的方案，如图4两种部件通过DCDC变压协调工作，从而达到高压平台技术快速推广的目的。智联化架构发展2.1整车电子电器架构发展随着SDV软件定义汽车理念、L3级自动驾驶、智能座舱的快速发展，电动汽车也必须具备高计算性能、高通信带宽、高功能安全性和软件持续更新的能力。因此整车电子电器架构也从初期功能独立的分布式架构，过渡到部分功能集成的域控制架构，如今则加速向集中式电子电器架构跨越。过往的分布式电子电器架构开发，是在以硬件为主导的汽车开发模式下，为实现数百项的整车功能，车辆分布着上百个独立的ECU，每个ECU各自控制一个独立的功能模块。工作原理简单，但是彼此之间无法进行信息交互，功能扩展性和协同程度较低，并且仅能满足L2级别自动驾驶的算力需求，无法满足日益智能化的功能随着车辆功能复杂度的大幅跃升、通信带宽和算力成倍的提高，将传统分散的上百个ECU，集成为数个较高算力的ECU，通过一个中央计算集群和N个高算力的计算域协同，实现域控的高度集中以及跨域的高效融合共享，可以带来更强的信息交互量和更灵活的功能迭代，从而奠定软件定义汽车的核心算力基础。域控制器的算力远超传统分布式，当前CAN总线实际50 0 kbit/s的通信带宽明显无法满足通信交互需求，更高的通信带宽需求加速了以太网技术的应用，通过技术突破已经可以提供10 0 Mbit/s的带宽，但是由于成本较高目前主要应用于域控制器与中央控制器交互的骨干网络。而在域子网络则使用兼顾成本与高表2 总线传输性能对比总线类型CANCANFDETH通信带宽Mbit/s0.55100汽车工业研究季刊2023年第2 期45新能源NewenergyWirelessOTAHMIEthernetOTA ServerTbox ClientFirewallTargetECU图6 常见OTA流程带宽的CANFD解决方案，在保证物理层不变的同时将传输速率提高到了5Mbit/s，将广泛替代传统的CAN网络。2.2应用服务化新四化发展浪潮下，汽车开发框架也从硬件驱动型，过渡到软硬件共同驱动，同时软件将成为汽车差异化的核心体现车载软件执行速度是用户体验的重要感知点，当通过提升处理器核心频率遇到瓶颈时，多核心芯片可以大幅提高运算能力。将软件合理地分配到各个核心运算，提高并行性使其尽可能多的并行处理，通过式2 的Amdahl定律可知多核芯片能够获得理想的算力加速比，在10核以内增加核心数都可以大幅提升运算性能。S=1/(1-a+a/n)(2)式中S为加速比，a为并行运算比例，n为核心数量。当运算性能得到保障后，OTA空中升级技术便成了软件定义汽车的重要一环，通过云端即可远程完成智能座舱、空调、ADAS、车身控制、底盘、动力和通信互联等几乎全车功能更新。不仅极大地节省人力与时间成本，也赋予了车辆常用常新永不过时的生命力。以蔚来和小鹏为代表的新势力，OTA更新频率平均为每年四至五次，OTA技术已成为各车企构建车机生态与品牌护城河的斩新突破点小结本文主要介绍了近几年行业内主流的电池包系统集成技术，以及整车电子电器架构发展迭代的特点。伴随新四化和软件定义汽车理念的深人，所有厂家都必须在电动化和智联化领域加大研发投人，才能确保自身优异的市场竞争力。参考文献：1欧阳威，车用动力电池包优化设计及其安全性研究 D.南昌：南昌大学,2 0 19.2陈永胜,乔延涛,裴小娟,等。电动汽车动力电池低温性能研究与应用 J.汽车文摘,2 0 2 1(5):59-6 2.3陈元.车用动力电池包多材料结构优化与轻量化设计 D.广州：华南理工大学，2020.4黎伟，俞晓勇，匡小军，浅析汽车电子架构发展与典型域控制器 J,时代汽车，2021(16):163-164.5陈炳欣.汽车芯片：从传统分布式架构向集中式架构演进 N.中国电子报,2 0 2 1-10-12(008).6周罗善,佳伟.基于RCARH3的智能座舱域控制器设计 J,汽车零部件，2 0 2 2(2)：43-46.作者工作单位：广汽研究院