考验越来越多,新能源汽车安全需要重视电池热管理

李浩晨

新能源汽车的核心——动力电池系统,一般主要由电池模组、电池管理系统、热管理系统、电气及机械系统等构成。影响新能源汽车推广应用的重要原因一个是动力电池的安全性,另外一个就是使用成本。

因此随着新能源汽车大规模的推广,安全性需要得到进一步提高,所以热管理的重要性凸现出来。热管理的作用简要来说就是让电池工作在一定的温度范围内维持最佳的使用状态,用以保证电池系统的性能和寿命。

热管理系统的构成

电池组热管理系统主要由导热介质、测控单元以及温控设备构成。导热介质与电池组相接触后通过介质的流动将电池系统内产生的热量散至外界环境中,导热介质主要有空气、液体与相变材料这三大类。测控单元则是通过测量电池系统以及电池模组甚至单体不同位置上的实时温度来控制温控设备进行对应的热处理。常见的温控设备有风扇与泵机等。

根据参考资料总结几款电动汽车产品电池组热管理系统如下表所示。可以看到热管理的作用主要体现在防止过热和过冷保温两个方面。

车辆型号

车辆类型

热管理方式

GM Volt

PHEV

采用液冷方法。金属散热片间隔于单体间,冷却液在散热片内封闭循环,单体间散热片的厚度仅为1 mm左右。当温度过低时,加热线圈可加热冷却液并为电池升温。

Ener1

Think City

BEV

采用强制风冷方法,每两片并联单体头部有中空的铝制导热槽,该导热槽与电池组整体的通风导流槽连接。

Tesla Roadster

BEV

采用液冷方法,冷却液为50% 水与50% 乙二醇混合物。

Toyota Prius, PHV

HEV,

PHEV

采用强制风冷方法,通风风扇有四种运行模式:关、低转速、中转速、高转速,电池温控系统决定电池风扇的运行模式。

Nissan Leaf

BEV

电池包密封,外界不通风。寒冷地区有加热选件。

Mitsubishi iMiEV, Minicap

BEV

采用强制风冷方法。

热管理的作用

车辆在不同的行驶状况下,电池系统由于其自身有一定的内阻, 在输出功率、电能的同时产生一定的热量,使电池温度升高,当电池温度超出其正常工作温度区间时会影响电池的寿命。目前国内的热管理研究较多在防止过热上,更准确地说是集中在电池系统和模组级别上,在电芯层面上的隔热并没有过多关注。

据笔者了解的情况,国内很多企业在电芯层面上,无论是软包还是方形都没有进行相应的隔热处理。比如软包电芯,基本是直接堆叠后靠金属外壳固定一起,且不论电芯之间热量的积累,光软包充放电时的臌胀效应就有可能导致电芯出现破损可能。方形之间靠结构胶直接粘接,并且还在没有采用任何冷却处理的环境下,完全靠自然冷却不能保证热量及时扩散。

这里有必要提及在国外以及国内若干采用软包的企业得到大规模应用的泡棉材料,一方面能够吸收电池鼓胀应力起到缓冲作用,另一方面能够起到隔热作用,在电芯出现热失控的情况下抑制热扩散,延缓事故发生。在方形电芯之间的隔热处理,已经有企业在采用气凝胶,安全性相当高,但存在一个很实现的成本问题。

热管理

当温度降低到零度以下时,电池系统的充放电功能会由于电池性能的降低变得十分困难, 无论是放电的倍率还是放电的容量都会大幅度地降低。因此在寒冷地区,研究电动汽车如何才能更高效地使用变得十分迫切。针对上述情况,一般从两个方面出发进行设计,分别是电芯加热和箱体保温方案。

加热方案

最简单的加热方案一般是在电池模组上下附着加热板进行加热或者采用加热膜包裹在电芯四周进行加热。由于PTC加热片通常采用铝制,存在与电池贴合不够紧密情况导致热量损失。而加热膜能够贴合更加紧密,传热效率更高使得加热效果相对更好。

相对于常用的PTC加热片和金属丝加热膜,石墨烯加热膜也开始进入人们的视野,这三种材料的比较如下表所示。一般根据电池系统在进行具体设计时的结构、工艺以及成本进行加热方案的选择。

加热方式

石墨烯加热膜

PTC加热片

金属丝加热膜

重量

厚度

-0.2mm

-10mm

-0.5mm

加热一致性

加热速度

稳定性

一般

成本

箱体隔热

箱体隔热的意义在于:一、保持系统内部温度,有利于低温充放电,延长使用寿命;二、保持系统内部温度,降低高温路面热辐射对系统内部温度的影响;三、外部出现火烧或者高温时时,保持电池包内正常温度,延缓电池热失控,提高安全性。从目前电池系统的发展趋势来看,采用会液冷系统越来多,因此箱体隔热设计越发重要。

根据现有国家标准的规定,导热系数大不于0.12W/(m•K)的材料可以认为是保温材料,小于0.05 W/(m•K)的材料则可以称作高效保温材料。常用的保温材料有绒毛毯、聚氨酯泡棉、二氧化硅气凝胶等,导热系数分别为0.05、0.03、0.02 W/(m•K)左右。气凝胶的隔热效果可以说是相对于其他材料是最好的,但是成本比较高,并不适合大规模应用。另外采用泡棉以及气凝胶在对箱体进行保温时会不可避免进行拼接,并不能一次成型贴合于是产生缝隙导致隔热效果差。新能源汽车发展会带来新技术的出现,比如能够直接在箱体上发泡成型,与箱体结构完整贴合实现最佳的隔热效果。

UIR0316材料技术

UIR0316材料技术

结语

随着新能源汽车开始大规模的使用,电池系统的性能会接受更多的考验,比如南北温差导致电池能耗的不同。从目前情况来看,解决上述问题需要结合新材料进行电池设计系统优化。比如利用先进的散热、隔热保温材料等,针对系统结构布置以及控制策略的优化都是可以采用的方式。高效智能的热管理系统会是未来发展的目标,对新能源汽车的安全性有重要意义。

作者:李浩晨

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