谈谈热管理系统对新能源汽车动力电池热失控的重要性

2018-06-03 21:39:04      来源:全球电池网      编辑:王璞玉      人气:

动力电池系统一般主要由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和机械系统等构成。目前影响新能源汽车大规模推广应用的因素包括电池系统成本

  在新能源汽车快速发展的强劲带动下,动力电池的发展速度一路狂飙,动力电池和储能电池也将成为行业未来的发展方向。

谈谈热管理系统对新能源汽车动力电池热失控的重要性

  动力电池系统一般主要由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和机械系统等构成。目前影响新能源汽车大规模推广应用的因素包括电池系统成本、续航里程以及电池系统安全性等。

  随着新能源汽车技术的发展,安全性日益得到重视,动力锂离子电池在过充电、针刺、碰撞情况下易引起连锁放热反应造成热失控,造成冒烟、失火甚至爆炸等。同时动力电池的性能,包括能量密度、使用寿命受温度变化影响,所以热管理的重要性进一步体现出来。

  一、热失控的主要原因

  从锂离子电池的实际应用情况来看,车辆在不同的行驶状况下,单体电芯由于其自身有一定的内阻,在输出电能的同时会产生一定的热量,使得自身温度变高,当自身温度超出其正常工作温度范围间时会影响电池的性能和寿命。

  而电动汽车上的动力电池系统由多个动力电池单体电芯构成,动力电池系统在工作过程中产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内,热量如果不能够及时地快速散出,高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控,导致起火爆炸等。

  从锂离子电池的构成部分来看,热失控的可能原因主要出现在电解液、正负电极材料的热稳定性能上。比如锂离子电池在充电时,金属锂的表面会沉积枝杈状锂枝晶,积累到一定程度就会刺穿电池隔膜,造成正负极直接接触而短路导致热失控。

  一旦过充,锂离子会从正极溢出与电解液溶剂发生反应产生热量。热量会反过来继续加热电池触发金属锂与溶剂、嵌锂碳与溶剂混合反应,在极小空间内产生无法立即排出的热量与气体,于是电池爆炸。

  从单体电芯到成组成系统层面上来看,单体电芯和模组级别的隔热防控此前并没有被过多关注。因此在电池系统的整体设计中就必须要考虑到电芯单体和电池模块所在位置的温度环境的影响。

  在设计电池模块排列时,若单体电池或者模组之间排列紧凑且没有散热和隔热措施的话,电池组在充放电时温度会急剧上升带来严重的安全隐患。

  为了提高动力电池的安全性,避免或抑制热失控的发生。整体来看,解决锂离子电池热失控问题需要从外部保护和内部改进两个方面进行。在谈热失控控制方法之前先介绍热管理的构成和国标的要求。

  二、热管理系统的构成

  电池热管理系统是从使角度出发,用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统,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。

  电池热管理系统有如下几项主要功能:(1)电池温度的准确测量和监控;(2)电池组温度过高时的有效散热和通风;(3)低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作;(4)有害气体产生时的有效通风;(5)保证电池组温度场的均匀分布。

  三、国标(意见推荐稿)的要求

  就《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》来说,里面就有对电池单体和系统的热失控相关测试。

  比如8.1.5加热章节,测试对象为锂离子电池单体。将测试对象在室温下,先以1 I1电流放电至制造商技术条件中规定的放电终止电压,搁置1 h(或制造商提供的不大于1 h的搁置时间),然后按制造商提供的充电方法进行充电。

  →将测试对象放入温度箱,温度箱按照5 ℃/min的速率由室温升至130 ℃±2 ℃,并保持此温度30 min后停止加热。→试验结束后,应在试验环境温度下观察1 h。

  热稳定性上分为外部火烧和热扩散,测试对象为锂离子电池包或系统。外部火烧基本要求如下:试验环境温度为0℃以上,风速不大于2.5 km/h。测试中,盛放汽油的平盘尺寸超过测试对象水平尺寸20 cm,不超过50 cm。

  平盘高度不高于汽油表面8 cm。测试对象应居中放置。汽油液面与测试对象底部的距离设定为50 cm。平盘底层注入水。外部火烧示意图如图所示。

  第一阶段:预热。在离测试对象至少3 m远的地方点燃汽油,经过60 s的预热后,将油盘置于测试对象下方。如果油盘尺寸太大导致无法移动,可以采用移动测试对象和支架的方式。

  第二阶段:直接燃烧。测试对象直接暴露在火焰下70 s。第三阶段:间接燃烧。将耐火隔板盖在油盘上。测试对象在该状态下测试60 s。或经双方协商同意,继续直接暴露在火焰中60 s。

  第四阶段:离开火源。将油盘或者测试对象移开,在试验环境温度下观察2 h或测试对象外表温度降至45℃以下。

  四、控制热失控的方法

  通过电池热管理技术研究,加强电池的加热和散热能力,保证电池工作在合适的温度范围内和保持电池箱内合理的温度分布。因此研究需要从单体级别的热失控产生机理及特性方面逐步扩展到由单体热失控触发继而传播到整个电池系统的热失控级别。

  从内部即电芯层面看,主要从以下三个方面进行研究和改善:

  (1)对电解液进行优化,对电解液的界面特性进行改良以形成均匀薄质的SEI膜,从而提高安全性能,改进相关有机溶剂、电解质盐和添加剂的配方从而提高热稳定性;

  (2)正负极材料的优化,比如针对正极材料进行特殊表面处理,掺杂一些安全材料进行包覆;

  (3)在隔膜的选择上需要高安全性能和热稳定的陶瓷涂层隔膜。保证隔膜在受热收缩程度不会太大从而维持一定的稳定性。

  从外部即系统层面看,需要在进行热管理系统设计时需要考虑到电芯单体和电池模组这两个层次的结构。主要可以从以下四个方面进行设计和防护:

  (1)电池热管理系统的整体设计需要结合具体电芯使用情况,以做好对应的热管理系统研制与开发。在电芯成组阶段就需要完成良好的结构设计,保证机械安全和热安全性。

  (2)热管理材料的应用,材料与部件的结合使用设计。液冷板的应用就能好解决电池的温度控制,实现高低温的调控。

  (3)关注电气系统在继电保护、过流防护及高压互锁方面的保护功能,尤其环境耐久性和老化上。

  (4)需要电池管理系统在热管理上发挥监控和预判,实时监控电芯的温度等各种状态然后配合热管理系统采取对应控制方式。

  五、结语

  结合今年国家发布的《电动汽车安全要求》、《电动客车安全要求》和《电动汽车用锂离子动力蓄电池安全要求》三份意见征求稿,可以看到对热失控的要求越来越严。这意味着热管理的重要性日益被重视,所以做好热管理的相关工作显得十分重要。

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