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【干貨】解析電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的構(gòu)成與作用

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關(guān)鍵詞: 新能源汽車,安全,電池?zé)峁芾?動力電池

    新能源汽車的核心——動力電池系統(tǒng),一般主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機械系統(tǒng)等構(gòu)成。影響新能源汽車推廣應(yīng)用的重要原因一個是動力電池的安全性,另外一個就是使用成本。

    因此隨著新能源汽車大規(guī)模的推廣,安全性需要得到進(jìn)一步提高,所以熱管理的重要性凸現(xiàn)出來。熱管理的作用簡要來說就是讓電池工作在一定的溫度范圍內(nèi)維持最佳的使用狀態(tài),用以保證電池系統(tǒng)的性能和壽命。

    熱管理系統(tǒng)的構(gòu)成

    電池組熱管理系統(tǒng)主要由導(dǎo)熱介質(zhì)、測控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成。導(dǎo)熱介質(zhì)與電池組相接觸后通過介質(zhì)的流動將電池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熱量散至外界環(huán)境中,導(dǎo)熱介質(zhì)主要有空氣、液體與相變材料這三大類。測控單元則是通過測量電池系統(tǒng)以及電池模組甚至單體不同位置上的實時溫度來控制溫控設(shè)備進(jìn)行對應(yīng)的熱處理。常見的溫控設(shè)備有風(fēng)扇與泵機等。

    根據(jù)參考資料總結(jié)幾款電動汽車產(chǎn)品電池組熱管理系統(tǒng)如下表所示??梢钥吹綗峁芾淼淖饔弥饕w現(xiàn)在防止過熱和過冷保溫兩個方面。

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    熱管理的作用

    車輛在不同的行駛狀況下,電池系統(tǒng)由于其自身有一定的內(nèi)阻, 在輸出功率、電能的同時產(chǎn)生一定的熱量,使電池溫度升高,當(dāng)電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時會影響電池的壽命。目前國內(nèi)的熱管理研究較多在防止過熱上,更準(zhǔn)確地說是集中在電池系統(tǒng)和模組級別上,在電芯層面上的隔熱并沒有過多關(guān)注。

    據(jù)筆者了解的情況,國內(nèi)很多企業(yè)在電芯層面上,無論是軟包還是方形都沒有進(jìn)行相應(yīng)的隔熱處理。比如軟包電芯,基本是直接堆疊后靠金屬外殼固定一起,且不論電芯之間熱量的積累,光軟包充放電時的臌脹效應(yīng)就有可能導(dǎo)致電芯出現(xiàn)破損可能。方形之間靠結(jié)構(gòu)膠直接粘接,并且還在沒有采用任何冷卻處理的環(huán)境下,完全靠自然冷卻不能保證熱量及時擴散。

    這里有必要提及在國外以及國內(nèi)若干采用軟包的企業(yè)得到大規(guī)模應(yīng)用的泡棉材料,一方面能夠吸收電池鼓脹應(yīng)力起到緩沖作用,另一方面能夠起到隔熱作用,在電芯出現(xiàn)熱失控的情況下抑制熱擴散,延緩事故發(fā)生。在方形電芯之間的隔熱處理,已經(jīng)有企業(yè)在采用氣凝膠,安全性相當(dāng)高,但存在一個很實現(xiàn)的成本問題。

    當(dāng)溫度降低到零度以下時,電池系統(tǒng)的充放電功能會由于電池性能的降低變得十分困難, 無論是放電的倍率還是放電的容量都會大幅度地降低。因此在寒冷地區(qū),研究電動汽車如何才能更高效地使用變得十分迫切。針對上述情況,一般從兩個方面出發(fā)進(jìn)行設(shè)計,分別是電芯加熱和箱體保溫方案。

    加熱方案

    最簡單的加熱方案一般是在電池模組上下附著加熱板進(jìn)行加熱或者采用加熱膜包裹在電芯四周進(jìn)行加熱。由于PTC加熱片通常采用鋁制,存在與電池貼合不夠緊密情況導(dǎo)致熱量損失。而加熱膜能夠貼合更加緊密,傳熱效率更高使得加熱效果相對更好。

    相對于常用的PTC加熱片和金屬絲加熱膜,石墨烯加熱膜也開始進(jìn)入人們的視野,這三種材料的比較如下表所示。一般根據(jù)電池系統(tǒng)在進(jìn)行具體設(shè)計時的結(jié)構(gòu)、工藝以及成本進(jìn)行加熱方案的選擇。

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    箱體隔熱

    箱體隔熱的意義在于:一、保持系統(tǒng)內(nèi)部溫度,有利于低溫充放電,延長使用壽命;二、保持系統(tǒng)內(nèi)部溫度,降低高溫路面熱輻射對系統(tǒng)內(nèi)部溫度的影響;三、外部出現(xiàn)火燒或者高溫時時,保持電池包內(nèi)正常溫度,延緩電池?zé)崾Э?,提高安全性。從目前電池系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看,采用會液冷系統(tǒng)越來多,因此箱體隔熱設(shè)計越發(fā)重要。

    根據(jù)現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,導(dǎo)熱系數(shù)大不于0.12W/(m?K)的材料可以認(rèn)為是保溫材料,小于0.05 W/(m?K)的材料則可以稱作高效保溫材料。常用的保溫材料有絨毛毯、聚氨酯泡棉、二氧化硅氣凝膠等,導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.05、0.03、0.02 W/(m?K)左右。氣凝膠的隔熱效果可以說是相對于其他材料是最好的,但是成本比較高,并不適合大規(guī)模應(yīng)用。另外采用泡棉以及氣凝膠在對箱體進(jìn)行保溫時會不可避免進(jìn)行拼接,并不能一次成型貼合于是產(chǎn)生縫隙導(dǎo)致隔熱效果差。新能源汽車發(fā)展會帶來新技術(shù)的出現(xiàn),比如能夠直接在箱體上發(fā)泡成型,與箱體結(jié)構(gòu)完整貼合實現(xiàn)最佳的隔熱效果。

    UIR0316材料技術(shù)

    結(jié)語

    隨著新能源汽車開始大規(guī)模的使用,電池系統(tǒng)的性能會接受更多的考驗,比如南北溫差導(dǎo)致電池能耗的不同。從目前情況來看,解決上述問題需要結(jié)合新材料進(jìn)行電池設(shè)計系統(tǒng)優(yōu)化。比如利用先進(jìn)的散熱、隔熱保溫材料等,針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置以及控制策略的優(yōu)化都是可以采用的方式。高效智能的熱管理系統(tǒng)會是未來發(fā)展的目標(biāo),對新能源汽車的安全性有重要意義。

    (審核編輯: 林靜)

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