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電動汽車電池性能和安全要點

2021-12-22 23:41:39·  來源：鋰電派  
　
新能源汽車的電池是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括單個的電芯，電芯組成的電池包再加上熱管理系統(tǒng)。電芯層面▲單個電芯鋰電池以高功率密度、高能量密度、壽命長、環(huán)保在電
新能源汽車的電池是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括單個的電芯，電芯組成的電池包再加上熱管理系統(tǒng)。
電芯層面


▲單個電芯
鋰電池以高功率密度、高能量密度、壽命長、環(huán)保在電動汽車電池中廣泛應(yīng)用。
能量密度越高的電池，越不穩(wěn)定。鋰離子電池的危險性，主要體現(xiàn)在熱失控，俗稱失火。
電芯由正極材料、負(fù)極材料、電解液構(gòu)成。鋰離子電池在封閉空間中既有還原劑又有氧化劑，不需要外界空氣就可以充分自燃 。
在電池原理上未有突破的情況下，我們短期能做的就是盡可能地提高電芯穩(wěn)定性、安全性。
當(dāng)下的技術(shù)手段主要是提高正、負(fù)極材料的穩(wěn)定性，在電解液中采用阻燃添加劑，采用高安全性隔膜，降低隔膜熱收縮率、提高隔膜崩潰溫度，降低針刺與過充下熱失控的保護(hù)裝置。
如何隔離開發(fā)生熱失控的電芯也是一個難題。當(dāng)熱失控發(fā)生，如果能夠?qū)l(fā)生問題的電芯或模組隔離開，就能夠有效降低損失，避免自燃。
電池包層面，即PACK層面


▲電池包及模組
單個電芯的容量比較低，需要很多個電芯集成成模組、一個電池系統(tǒng)包含多個模組。通常一個電池系統(tǒng)中包含上百個，甚至上千個電芯。


▲特斯拉電池模組
如果說電芯層面是在關(guān)注電池本身的特性，那么PACK層面則重在關(guān)注電池與環(huán)境的關(guān)系，包括加熱、擠壓、針刺、浸水、震動等等。
PACK層面的安全性，主要由國家/國際標(biāo)準(zhǔn)來保證。
國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 31485-2015，GB/T 31467.3-2015，GB/T 31498-2015等
國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO 12405-2014，IEC 62133-2015, UL 2580-2010
核心：以GB/T 31485-2015，IEC 62133，SAE J2464
只有通過機(jī)械安全設(shè)計和電氣安全設(shè)計，才滿足嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)。防護(hù)結(jié)構(gòu)、防水設(shè)計、防呆設(shè)計、防火阻燃設(shè)計，接觸防護(hù)、外短路防護(hù)、過流保護(hù)設(shè)計、高壓互鎖檢測、絕緣檢測。
理論上講，通過層層測試的都不會有什么問題，但僅僅是理論上：
系統(tǒng)架構(gòu)不合理 ：對外部系統(tǒng)有依賴、所設(shè)計的架構(gòu)開發(fā)難度過高
可靠性未達(dá)標(biāo)：硬件的可靠性未達(dá)到相應(yīng)風(fēng)險的嚴(yán)格程度
開發(fā)流程不合理：軟件開發(fā)流程、開發(fā)人員資質(zhì)、測試驗證的獨立性
都是潛藏的不安全因素。
電池包的設(shè)計制造自然是避免熱失控的基本要求，相關(guān)措施包括改善電池包的框架設(shè)計如降低電池包振動、防火層阻隔、加裝鋼板、防水防塵等等。
愛馳汽車在電池包的結(jié)構(gòu)上采用了“三明治結(jié)構(gòu)”。
動力電池的冷卻方式主要分為風(fēng)冷與液冷，這與汽柴油發(fā)動機(jī)非常相似。無論是汽柴油車還是純電動車，風(fēng)冷都是最為經(jīng)濟(jì)、最為輕便的解決方案，然而空氣的比熱容非常有限，水冷這個更為高效的解決方案成為業(yè)界公認(rèn)的高階結(jié)構(gòu)。
然而，“水”與“電”可是一對不愿握手見面的矛盾體，電池水冷結(jié)構(gòu)的安全性成為了業(yè)界的難題。為了同時實現(xiàn)高效溫控與安全防護(hù)，愛馳汽車對其“三明治哲學(xué)體系”進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)，讓電池包內(nèi)的模組成為“兩片面包”之間夾著的部分。


▲愛馳汽車的電池包
愛馳汽車經(jīng)過大量的分析和調(diào)研，通過采用低密度、高傳熱效率的導(dǎo)熱材料，完美解決了熱傳導(dǎo)的難題。從實測的結(jié)果看，采用A/B/C三明治結(jié)構(gòu)的電池包，其散熱效果與沒有B隔離板的電池包基本一致。
電池三明治電池的電池模組（A主料）所在的箱體是獨立密封的，下部的整體焊接成型的冷卻板（C醬料）被隔離到另外一個獨立密封的箱體中，兩個箱體之間還有隔離板（B隔層）。


▲愛馳汽車的車身及電池模塊組
系統(tǒng)層面
所謂熱失控是是由各種誘因引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，發(fā)熱量可使電池溫度升高上千度，造成自燃。一旦電池的管理不當(dāng)，后果會是災(zāi)難性的。
熱失控的誘因有三類，分別是機(jī)械電氣誘因、電化學(xué)誘因和熱誘因。
熱失控的誘因是多元的，為此需要做出多重的預(yù)防措施，來避免熱失控的發(fā)生。從電芯的設(shè)計和生產(chǎn)，電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計，電池管理BMS算法開發(fā)等多個方面的研究。


▲BMS系統(tǒng)框架
BMS（Battery Management System電池管理系統(tǒng) ）在整車中主要任務(wù)有：
1、保護(hù)電芯和電池包不受到損害；
2、使電池工作在合適的電壓和溫度范圍內(nèi)；
3、在保持電池在合適的條件運行后，滿足整車的需求。
BMS賦予了電池耳目(傳感器)、大腦(決策)、手腳(執(zhí)行器)，為新能源汽車提供功能
本職功能：例如，輸出與接收能量(從而驅(qū)動車輛行駛)，為是電池的基本功能
監(jiān)控功能：例如，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-27930在規(guī)定非車載充電時電池管理系統(tǒng)與充電機(jī)的通訊協(xié)議時，就設(shè)計了過流、過壓、通訊中斷等故障下的安全措施，實際上就是電池系統(tǒng)的一種安全監(jiān)控設(shè)計。
這些安全監(jiān)控功能做得是否充分、是否全面，就決定了電池系統(tǒng)應(yīng)對故障、將熱失控扼殺在搖籃之中的能力。因為熱失控常常發(fā)生在滿電、過充狀態(tài)下，所以特別關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是充電，已經(jīng)做成了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-27930


電池的狀態(tài)不容易估計，單是剩余電量（ SOC）這一指標(biāo)，則通常要使用算法來進(jìn)行估計。清華大學(xué)所開發(fā)的電池狀態(tài)的聯(lián)合估計算法，在電池狀態(tài)間相互耦合的關(guān)系基礎(chǔ)上，同時估計電池的多個狀態(tài)，包括SOC（State of Charge）、SOH（State of Health）、SOP（State of Power）和SOE（State of Energy）等狀態(tài)的高精度聯(lián)合估計。電池狀態(tài)的精確估計，有助于實時監(jiān)測電池的充放電狀態(tài)，避免過充放造成的熱失控。


▲電池狀態(tài)聯(lián)合估計算法拓?fù)鋱D
特斯拉真正的絕密技術(shù)是高效的電池控制管理系統(tǒng)，其借鑒了互聯(lián)網(wǎng)程序管理控制成百上千臺服務(wù)器的模式，引入了分層管理的方法控制這些「活躍的圓柱體」。
特斯拉開發(fā)的電池管理系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠準(zhǔn)確估測電池單體的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），保證 SOC 維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對電池造成損傷。
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