新能源汽车锂电池PACK系统集成的四大核心技术

2018-02-07 17:28:34编辑:王磊 关键字:新能源汽车  锂电池

对于设计研发人员,电池PACK的电子和电气组件在较强的机械载荷下是否会发生连接松动?是否会加速老化?电气与结构组件之间的距离是否会影响绝缘性能?BMS功能失效是否会导致电芯发生过充进行引起热失控?温度变化对电池荷电状态(SOC)计算精度会产生怎样的影响?长期高温环境使用,电池寿命衰减程度如何?


电池包作为新能源汽车动力系统的核心部件,安全与性能是最重要的指标。电池包系统集成,在于梳理机、电、热、化之间的相互关系,相互作用、相互影响,定量和定性地分析产品是否可以满足产品设计指标。



电池包装载在汽车上,首先得考虑和满足机械方面的特征,产品需要具有足够的强度和刚度,在振动、冲击等机械载荷下不发生形变和功能异常,在碰撞、挤压、翻滚、跌落等事故状态下有足够的安全防护。



电动汽车依靠电能驱动车辆行驶,瞬时功率可能高达几百千瓦,电压范围从几十伏特到几百伏特,电流也可以达到正负几百安培,大电流的充电和放电,以及高电压的输出,意味着电池包有很高的电气载荷要求。


此外,整个电池包由非常多的单体电池构成,为了有效地管理这些电池,控制电池包的充放电,以及响应整车层面的功能需求,电池包还有一套非常复杂的电池管理系统(BMS),由传感器、执行器、控制器(电控单元)等组件构成,采集系统的电压、电流、温度等数据,进行复杂的计算,与整车其他部件进行通信,完成特定的功能,实施判定系统的运行边界,控制系统的异常状态等。



1、首先是针对外部环境的热管理要求,在北半球的高纬度地区,冬季的室外温度会达到-30℃,甚至更低,而在低纬度地区,夏季的地面温度可以达到50℃以上,电动汽车必须面对严寒和酷暑这两个极端的使用环境温度要求。目前的电池技术,还无法应对这种挑战,为了延长电池的使用寿命,也不能让电池工作在如此宽广的环境温度下,所以必须在电池包设计的时候,为电池装配“空调”系统,夏季能够降温,冬季能够加热,从而解决大范围变化的环境温度所带来的挑战。


2、针对内部热管理要求,因为电池内阻和电气部件阻抗的存在,充放电条件下,电池包内部会发热,电流越大,发热量越大,如果不能及时把内部热量散出去,轻则影响电池寿命,导致使用寿命快速衰减,重则引起热失控,带来安全问题。电池包产品的热管理系统是非常复杂的,要解决加热、散热、保温、热均衡等几方面问题。



化指的是电化学,即电池的电化学机理。以目前大量使用的锂电池为例,其表现出来的物理特性是有电化学机理所决定的。锂离子在正极和负极之前来回的穿梭,与正极和负极发生化学反应,改变分子结构,从而在正负极之间表现出充电和放电的物理特性(电子移动)。化学反应的数量规模,决定了电池的充放电的能量(产生的电子数量);化学反应的快慢,决定的充放电速度;化学反应的的可控与不可控,决定了电池的安全性;化学反应的可逆程度,决定了电池的寿命。电池内部的化学反应,除了跟电池本身的材料相关之外,还与外部的电气载荷和温度有非常大的相关性。如我们所知的,大倍率的充放电或者高温度下使用,会导致电池寿命的衰减,短路会导致热失控等现象。


电池PACK系统集成,是复杂系统产品开发的关键,除了对各个子系统需要有深入的研究之外,还要特别关注子系统的接口、交叉、相互影响等,以及由此表现出来的新特性。系统集成需要应用大量的过程分析方法、辅助以仿真分析和测试验证,才能达到产品设计目标。

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