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浅谈新能源汽车动力电池包热管理系统

   次浏览   本站   2019-12-14

 说到纯电动汽车,最大的问题大概就是续航里程了吧。随着制造业的快速发展,中国汽车工业面临着产业转型、降低排放、能源危机和低碳发展的挑战,发展新能源汽车已经成为降低汽车工业石油依赖和排气污染的唯一途径,中国政府为了推进新能源汽车工业,发布了一系列发展规划、财政补贴和税务鼓励计划,促进新能源汽车行业的发展。

  2018年全球销售了210多万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车,其市场份额已上升到当年销售车辆总额的2.4% ,并且这一趋势还将继续上升,预计到2030年欧洲每销售三辆汽车其中都将有一辆电动车。电池组作为电动汽车的主要储能部件,直接影响到电动车的性能。想要解决这个问题,我们就得依赖电池管理系统。今天小编就跟大家聊一聊这个话题。

  什么是电池管理系统

  电池管理系统的主要任务是保证电池组工作在安全区间内,提供车辆控制所需的必需信息,在出现异常时及时响应处理,并根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电功率等。BMS的主要功能有电池参数监测、电池状态估计、在线故障诊断、充电控制、自动均衡、热管理等。

  热管理系统的重要性

  电池的热相关问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。首先,锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。温度较低时,电池的可用容量将迅速发生衰减,在过低温度下(如低于0°C)对电池进行充电,则可能引发瞬间的电压过充现象,造成内部析锂并进而引发短路。其次,锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热,并进而引起连锁放热反应,最终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件,威胁到车辆驾乘人员的生命安全。另外,锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命。电池的适宜温度约在10~30°C之间,过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小,电池内部热量不易散出,更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题,从而进一步加速电池衰减,缩短电池寿命,增加用户的总拥有成本。

  电池热管理系统是应对电池的热相关问题,保证动力电池使用性能、安全性和寿命的关键技术之一。热管理系统的主要功能包括:

  1、在电池温度较高时进行有效散热,防止产生热失控事故;

  2、在电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充电、放电性能和安全性;

  3、减小电池组内的温度差异,抑制局部热区的形成,防止高温位置处电池过快衰减,降低电池组整体寿命。

  电池包(PACK)内的温度环境对电芯的可靠性、寿命及性能都有很大的影响,因此,使PACK内温度维持的一定的温度范围区间内就显示尤其重要。这主要是通过冷却与加热来实现,其冷却方式主要分为三类:

  1、 风冷:风冷是以低温空气为介质,利用热的对流,降低电池温度的一种散热方式,分为自然冷却和强制冷却(利用风机等)。该技术利用自然风或风机,配合汽车自带的蒸发器为电池降温,系统结构简单、便于维护,在早期的电动乘用车应用广泛,如日产聆风(Nissan Leaf)、起亚Soul EV等,在目前的电动巴士、电动物流车中也被广泛采纳。

  2、 液冷:液体冷却技术通过液体对流换热,将电池产生的热量带走,降低电池温度。液体介质的换热系数高、热容量大、冷却速度快,对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著,同时,热管理系统的体积也相对较小。液冷系统形式较为灵活: 可将电池单体或模块沉浸在液体中,也可在电池模块间设置冷却通道,或在电池底部采用冷却板。电池与液体直接接触时,液体必须保证绝缘( 如矿物油) ,避免短路。同时,对液冷系统的气密性要求也较高。此外,就是机械强度,耐振动性,以及寿命要求。 液冷是目前许多电动乘用车的优选方案,国内外的典型产品如宝马i3、特斯拉、通用沃蓝达、吉利帝豪EV。

  3、 直冷:直冷(制冷剂直接冷却):利用制冷剂(R134a等)蒸发潜热的原理,在整车或电池系统中建立空调系统,将空调系统的蒸发器安装在电池系统中,制冷剂在蒸发器中蒸发并快速高效地将电池系统的热量带走,从完成对电池系统冷却的作业。目前通过直冷的冷却方式基本在电动乘用车上,最典型的如BMW i3(i3有液冷、直冷两种冷却方案)。

串联风冷散热/并联风冷散热


电池组是电动汽车的主要储能部件,由锂电池组成,直接影响到电动车的性能!

  由于车辆上装载电池的空间有限,正常运行所需的电池数目也较大,电池会以不同倍率放电,并以不同生热速率产生大量热量,再加上时间累积以及空间影响将会聚集大量热量,从而导致电池组运行环境温度情况复杂多变。

  电池包内温度上升严重影响电池组的电化学系统的运行、循环寿命、充电可接受性、电池包功率和能量、安全性和可靠性等。如果电动汽车电池组不能及时散热,将导致电池组系统的温度过高或分布不均匀,其结果将降低电池充放电循环效率,影响电池的功率和能量发挥,严重时还将导致热失控,影响系统安全性与可靠性;另外,由于发热电池体的密集摆放,中间区域必然热量聚集较多,边缘区域较少则增加了电池包中各单元之间的温度不均衡,这将造成各电池模块、单体性能的不均衡,最终影响电池性能的一致性及电池荷电状态(SOC)估计的准确性,影响到电动汽车的系统控制。

锂电池产生热量

锂电池内部反应过程

  锂离子电池工作原理本质上是内部正负极与电解液之间的氧化还原反应,在低温下电极表面活性物质嵌锂反应速率减慢、活性物质内部锂离子浓度降低,这将引起电池平衡电势降低、内阻增大、放电容量减少,极端低温情况甚至会出现电解液冻结、电池无法放电等现象,极大的影响电池系统低温性能,造成电动汽车动力输出性能衰减和续驶里程减少。

  此外,在低温环境下充电容易在负极表面形成锂沉积,金属锂在负极表面积累会刺穿电池隔膜造成电池正负极短路,威胁电池使用安全,电动汽车电池系统低温充电安全问题极大的制约了电动汽车在寒冷地区的推广。
 
  因此为了提高整车性能,使电池组发挥最佳的性能和寿命,就需要优化电池包的结构,设计能够适应高温和低温的电动汽车电池包热管理系统BTMS。

现阶段国内动力电池PACK水平差距悬殊,行业内真正能够满足下游整车厂商需求的优质PACK厂商寥寥无几,这就导致一些技术能力强、设计方案优秀、行业经验丰富的自动化集成商受锂电生产企业的青睐。
新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、其他新能源汽车等。
  其工作原理:蓄电池——电流——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动汽车行驶(Road)。
动力电池是新能源汽车的“心脏”,而德耐隆是实现“心脏”持久动力的“肌膜组织”。其中新能源汽车所用的蓄电池是锂电池,车用锂电池对新能源汽车的发展与普及,至关重要。
安全动力电池专用德耐隆Telite材料的关键技术包括导热、隔热、保温,低应力缓释技术,新型阻燃技术三大技术,在协助动力电池进行热管理、降低温差、实现热平衡;撞击、跌落、爆炸瞬间完成冲击力缓释;实现在高温、过充、刺穿防爆中的阻燃隔热效果等方面将取得决定性的作用。
德耐隆一直致力于为新能源汽车电池产业提供一个良好的保温隔热方案,同时也在与传统车企的接触中,我们也在思考德耐隆Telite技术是否能为转型的车企、新兴的动力电池企业贡献微薄之力。作为动力电池中的关键材料,有德耐隆Telite材料在锂离子电池的导热、阻燃、减震、防爆等方面得到了良好的应用。德耐隆是一种高分子材料,具有耐高低温、电气绝缘、耐腐蚀、抗氧化性、生理惰性等性能优点。产品可以根据这些特性、动力电池市场不同的类型以及客户的需求,开发出形态各异的产品。
  下面这些特性使德耐隆Telite保温隔热材料在各种电子设备和汽车应用中脱颖而出,并有助于您应对未来大容量锂电池系统和其他电动汽车部件的设计和生产的相关挑战:
•热阻极低
•优异的热稳定性
•严酷条件下的可靠性能——耐热冲击、抗氧化、抗潮湿和耐化学品性 
•优异的电绝缘性(介电强度) 
•隔热保温(导热系数仅为0.03W/m.k)

   一般而言,热失控发生之后,会往下传播。比如第一节热失控之后会有传热,开始传播,然后整组像放鞭炮似的一个一个接下来。针对这种传播,可以建立一个模型,包含中间温度升高率、化学能电能的产热、传热对流等。整个热电耦合的模型,可以用量热仪来做一个相关的定量分析。


  写在最后

  纯电动汽车中电池的温度直接影响了电池的安全性,因此电池的热管理系统是我们最应该关注的环节。这也将成为未来电动车优化的重点之一。从国家对电动汽车扶持方向来看,电动汽车电池包热管理系统必然朝着轻量化,高比能和高均温性方面发展。科技部“十三五”规划中也提出开展基于整车一体化的电池系统的机-电-热设计,开发先进可靠的电池管理系统和紧凑、高效的热管理系统,到2020年,应使单体电池之间的最大温差≤2℃,电池系统的比能量≥210Wh/kg。


另一方面,十三五末,我国电动汽车保有量将达500万辆,随之产生大量废旧动力电池,这为动力电池的拆解回收带来大量工作。因此,在设计电动汽车电池包热管理系统时,就应当考虑到电池包易拆解,无附加污染,实现电池包热管理系统的绿色设计。

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