新能源汽車動力電池PACK系統集成的四大核心技術
欄目:行業資訊 發布時間:2018-03-30
對于設計研發人員,電池PACK的電子和電氣組件在較強的機械載荷下是否會發生連接松動?是否會加速老化?電氣與結構組件之間的距離是否會影響絕緣性能?BMS功能失效是否會導致電芯發生過充進行引起熱失控?

來源:EV芯視野

對于設計研發人員,電池PACK的電子和電氣組件在較強的機械載荷下是否會發生連接松動?是否會加速老化?電氣與結構組件之間的距離是否會影響絕緣性能?BMS功能失效是否會導致電芯發生過充進行引起熱失控?溫度變化對電池荷電狀態(SOC)計算精度會產生怎樣的影響?長期高溫環境使用,電池壽命衰減程度如何?

電池包作為新能源汽車動力系統的核心部件,安全與性能是最重要的指標。電池包系統集成,在于梳理機、電、熱、化之間的相互關系,相互作用、相互影響,定量和定性地分析產品是否可以滿足產品設計指標。

電池包裝載在汽車上,首先得考慮和滿足機械方面的特征,產品需要具有足夠的強度和剛度,在振動、沖擊等機械載荷下不發生形變和功能異常,在碰撞、擠壓、翻滾、跌落等事故狀態下有足夠的安全防護。

電動汽車依靠電能驅動車輛行駛,瞬時功率可能高達幾百千瓦,電壓范圍從幾十伏特到幾百伏特,電流也可以達到正負幾百安培,大電流的充電和放電,以及高電壓的輸出,意味著電池包有很高的電氣載荷要求。

此外,整個電池包由非常多的單體電池構成,為了有效地管理這些電池,控制電池包的充放電,以及響應整車層面的功能需求,電池包還有一套非常復雜的電池管理系統(BMS),由傳感器、執行器、控制器(電控單元)等組件構成,采集系統的電壓、電流、溫度等數據,進行復雜的計算,與整車其他部件進行通信,完成特定的功能,實施判定系統的運行邊界,控制系統的異常狀態等。

1、首先是針對外部環境的熱管理要求,在北半球的高緯度地區,冬季的室外溫度會達到-30℃,甚至更低,而在低緯度地區,夏季的地面溫度可以達到50℃以上,電動汽車必須面對嚴寒和酷暑這兩個極端的使用環境溫度要求。目前的電池技術,還無法應對這種挑戰,為了延長電池的使用壽命,也不能讓電池工作在如此寬廣的環境溫度下,所以必須在電池包設計的時候,為電池裝配“空調”系統,夏季能夠降溫,冬季能夠加熱,從而解決大范圍變化的環境溫度所帶來的挑戰。  

2、針對內部熱管理要求,因為電池內阻和電氣部件阻抗的存在,充放電條件下,電池包內部會發熱,電流越大,發熱量越大,如果不能及時把內部熱量散出去,輕則影響電池壽命,導致使用壽命快速衰減,重則引起熱失控,帶來安全問題。電池包產品的熱管理系統是非常復雜的,要解決加熱、散熱、保溫、熱均衡等幾方面問題。

化指的是電化學,即電池的電化學機理。以目前大量使用的鋰電池為例,其表現出來的物理特性是有電化學機理所決定的。鋰離子在正極和負極之前來回的穿梭,與正極和負極發生化學反應,改變分子結構,從而在正負極之間表現出充電和放電的物理特性(電子移動)。化學反應的數量規模,決定了電池的充放電的能量(產生的電子數量);化學反應的快慢,決定的充放電速度;化學反應的的可控與不可控,決定了電池的安全性;化學反應的可逆程度,決定了電池的壽命。電池內部的化學反應,除了跟電池本身的材料相關之外,還與外部的電氣載荷和溫度有非常大的相關性。如我們所知的,大倍率的充放電或者高溫度下使用,會導致電池壽命的衰減,短路會導致熱失控等現象。  

電池PACK系統集成,是復雜系統產品開發的關鍵,除了對各個子系統需要有深入的研究之外,還要特別關注子系統的接口、交叉、相互影響等,以及由此表現出來的新特性。系統集成需要應用大量的過程分析方法、輔助以仿真分析和測試驗證,才能達到產品設計目標。

 


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