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纯电动汽车电池热管理技术研究

   次浏览   豫新汽车热管理科技有限公司   2021-02-26

摘要:在我国快速发展过程中,对于能源的需求在不断加大,能源危机和环境污染问题已成全球关注的焦点,新能源汽车顺势而为,纯电动汽车采用纯电驱动,更加节能、环保。随着纯电动汽车的发展,车辆的安全性、续航里程能力得到了关注,动力电池的性能很大程度上影响着整车性能,为了提升动力电池系统性能,避免热失控,研究高性能动力电池热管理系统至关重要。

引言

目前在国内汽车市场上纯电动汽车发展迅猛,它所采用的动力电池绝大部分是锂离子电池,锂电池技术发展迅速,性价比快速提升。但随着纯电动汽车在社会上大批量投入使用,也遇到了一些问题,比如少量的纯电动汽车因为各种原因出现了锂电池起火,进而导致整车燃烧问题,或锂电池破裂导致有毒的电解液泄漏到空气中的问题。锂离子动力电池的起火燃烧风险,来自于电池的化学能在高温下瞬间释放(高压电击不在本文讨论的范围),表现为:电池的热失控和热扩散引起整车燃烧或爆炸、或者电解液泄漏有毒气体。本文系统的介绍了这个问题的各个风险环节,并提出对应的风险控制措施。

1 电池热管理的现状

通常来说,温度对动力电池的性能影响比较大,温度较低的时候,电池内阻较大,容量也变小,充电和放电的能力也变差;在温度较高的时候,一些电池原料会发生化学反应,比如燃烧或者爆炸。如果电池包里面的电池每个点的温度分布不均匀,那么单体之间的差异性也比较大,这就会影响到电池包的性能,而且对电池的寿命也会产生很大的影响。因此,对电池包的热管理系统进行研究,是非常具有现实意义的。在国内,很多锂电池热分析都不会对电池在使用过程中的温度场进行分析,一般都只分析锂电池的高温或者低温时的稳定性能,不知道电池为何会温度升高。一般来说,动力电池的运行环境都很差,常常处于一个大电流的充放电状态,如果不把电池SOC 以及充放电电流结合起来对电池的温度场分布进行分析,那么就不会得到电池组的正确温度分布。所以,对这些方面的研究还需要进一步进行深入。而国外对这些方面的分析相对就非常多了,而且开始的时间也比较早。国外通常研究的是锂电池和镍氢电池比较多,其研究方法也大多类似。研究锂电池一般按照几个模型进行分析,分别是电化学-热耦合模型、热滥用模型和电-热耦合模型,而锂电池的热特性分析通常使用热滥用模型。这些研究分析模型都对应着不同的分析范围,不同的研究要求和研究条件就要选用不同的分析模型,这些模型的分析结果也不太相同,主要表现在分析结果的精度和可靠度上。混合动力汽车为提高能源利用率,可依照运行的策略来设计对应的能量回收,如果电池处于一个大电流充电的状态下,很可能会发生过充现象。这时,风扇如果能带走大部分热量或者这种状态持续的时间不长,电池包中的电池温度不高,那么过充只有电解液的分解,这个时候电池还是安全的。可是,电池的散热性如果不好的话,那么金属氧化物的正极就会发生脱锂现象,化学活性变强,电池温度继续升高,如果持续的时间过长,就会使电池发生热失控。

2 动力电池热管理系统设计要求

动力电池热管理系统设计时,首先需考虑电池包适宜工作范围,广泛应用的锂离子电池正常工作温度范围为充电情况下0-55℃,放电情况下-20℃-60℃,最佳充放电温度范围为20℃-35℃,电池处于最佳温度充放电时可使电池性能最优及循环寿命最大化,且能有效的避免电池热失控问题。确定动力电池系统最佳温度范围后,现阶段纯电动汽车大多采用液冷结构,根据整车需求进行热管理系统匹配选型,同时参照动力电池系统工作需求,制定系统工作阈值,其中环境温度的影响可根据实际电池的散热需求调节,制定电池热管理系统最佳控制模式。整车系统将各个电池包温度及行车或充电/运行模式组合成一特定温度报文并通过CAN 总线发送至电池热管理系统,电池热管理系统计算出电池包的温度最高值和温度平均值,并根据设定温度的要求自动进入以下模式:压缩机制冷模式:系统控制器(BMS 提供工作信号),当环境温度≤限定值,系统进水≥设定值,水泵运行,风扇运行,进入高温冷却模式;自循环模式:系统控制器(BMS 提供工作信号),当环境温度>限定值,水泵运行,风扇运行,压缩机运行,进行低温冷却模式;待机模式:系统上电,但是BMS 未提供工作信号,整机应处于待机状态,高温(30℃-40℃)地区正常工作,包括高低温启动、高低温性能、高低温充电、续驶里程等测试。

3 消除电池燃烧风险的措施

锂离子电池本体安全性提升的主体责任在于电池厂商,但是涉及电池以外部分的责任在于整车厂商,涉及电池厂商、整车厂商的设计、生产各环节,包括以下几个方面:内部和外部的机械设计:电池内部固定单体电池的支架的强度和刚度,内部定向泄压、电池与壳体内表面最小间隙,壳体密封性,整车上固定电池包的牢固性,整车碰撞变形时的安全距离。优化动力电池管理系统(BMS)安全策略:充放电策略,过充电保护,过放电保护,过电流保护,温度和湿度监控,高温和低温极限保护、内部压力监控、发生机械碰撞时断电保护等。内部电气设计安全:电池组、BMS 硬件、液冷管路的布局,电线连接的可靠性,绝缘等级,等电位设计,最小电气间隙。外部电气设计安全:电气零件的高IP 密封防护等级,高低压自锁与互锁,高低压系统隔离,电磁兼容(EMC)和电磁辐射(EMR),整车绝缘电阻监控与报警,手动维修开关,安全警示标签,外部主动灭火装置。

4 结语

综上所述,本文主要针对混合动力汽车动力电池组的温度管理系统进行了研究分析,研究的内容主要包含电池的热安全性、影响因素以及电池组的热效率。通过这些问题的研究分析,希望解决目前纯电动汽车电池组的安全问题,同时提高电池组的动力性能,使得电池组的使用寿命变得更加长,这对于新能源混合动力汽车的推广和产业化有非常重大的现实意义。
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