基于風(fēng)冷模式的18650動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)研究*

裴鋒 符興鋒

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

基于風(fēng)冷模式的18650動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)研究*

裴鋒 符興鋒

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

針對(duì)某純電動(dòng)乘用車的使用要求，設(shè)計(jì)了基于風(fēng)冷內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)的18650動(dòng)力電池系統(tǒng)，研究和分析了18650動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)安全性、熱管理安全性和阻燃與絕緣安全性。以該18650動(dòng)力電池的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合理論計(jì)算公式，建立了18650動(dòng)力電池的生熱仿真計(jì)算模型，對(duì)電池風(fēng)冷內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果優(yōu)化了電池箱內(nèi)部流場(chǎng)設(shè)計(jì)。通過實(shí)車試驗(yàn)和低溫加熱均衡試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于風(fēng)冷模式的18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性。

1 前言

18650動(dòng)力電池是目前應(yīng)用最廣泛的卷繞型電池類型之一，它不僅應(yīng)用于移動(dòng)電源、筆記本電源等領(lǐng)域，也可應(yīng)用在新能源汽車上，如美國(guó)的特斯拉公司選用了日本松下的三元18650動(dòng)力電池作為其純電動(dòng)跑車的驅(qū)動(dòng)電源[1～3]。自2008年特斯拉Roadster純電動(dòng)跑車量產(chǎn)上市以來，因其良好的銷售業(yè)績(jī)和使用性能，使得18650動(dòng)力電池在新能源汽車上的應(yīng)用也受到了重視，對(duì)18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的研究也成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)[4，5]。目前，國(guó)內(nèi)外電池生產(chǎn)廠商加大了18650動(dòng)力電池的生產(chǎn)和研究力度，部分整車企業(yè)也在各自的新能源汽車上開始了18650動(dòng)力電池的應(yīng)用研究，并且推出了一些應(yīng)用車型。

由于18650動(dòng)力電池的安全性相比大容量方形、軟包裝動(dòng)力電池有較大差距，因此開展18650動(dòng)力電池安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，對(duì)推動(dòng)節(jié)能與新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。本文以我國(guó)某款純電動(dòng)乘用車為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)問題。

2 18650動(dòng)力電池特點(diǎn)

由18650動(dòng)力電池組成的動(dòng)力電池系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)[6，7]。

a.電池生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，產(chǎn)量大，產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性好；

b.布置靈活，空間利用率高，電池比能量高，可在有限的空間內(nèi)布置更多的電池,特別適用于電池箱體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的車型；

c.具有成本優(yōu)勢(shì)。目前日本松下的三元18650動(dòng)力電池售價(jià)為1.4元/Wh，隨著18650動(dòng)力電池產(chǎn)量的持續(xù)提升，預(yù)計(jì)其售價(jià)將會(huì)低于1.0元/Wh。

雖然18650動(dòng)力電池的優(yōu)點(diǎn)突出，但相比其它大容量電池也存在如下不足：

a.電芯的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)要求高；

b.單體電池內(nèi)阻大，使用過程中發(fā)熱量較大，而且電池模組成組難度高，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜；

c.電池的循環(huán)壽命僅500多次，遠(yuǎn)低于方形和軟包電池（超過2 000次）壽命；

d.電芯個(gè)數(shù)較多，安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大，失效幾率呈幾何級(jí)數(shù)增加。

為有效解決以上問題特別是電池的安全性問題，必須對(duì)18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究。

3 18650動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)要求

18650動(dòng)力電池最大的安全性問題是使用過程中電池的發(fā)熱量較大，容易引起熱失效。18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性主要包括如下幾個(gè)方面。

3.1 18650動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)安全性

18650動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)主要是指電池在制造和封裝過程中采取的保護(hù)性措施。由于封裝后的電池在使用過程中內(nèi)部發(fā)生故障的概率較低，主要的問題都集中在電池封裝的外部端子上，因此18650動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容集中在電池設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中的保護(hù)裝置設(shè)計(jì)上。

3.2 18650動(dòng)力電池的熱管理安全性

18650動(dòng)力電池在使用過程中發(fā)熱量大是一個(gè)普遍的現(xiàn)象，因此其熱管理安全性比方形和軟包電池要求更高。以特斯拉為例，6 831顆18650動(dòng)力電池采用分層式管理，每69個(gè)3.3 Ah電池并聯(lián)構(gòu)成電池模塊，99個(gè)電池模塊串聯(lián)構(gòu)成整個(gè)電池系統(tǒng)。特斯拉電池溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，每個(gè)電池單體都要通過光導(dǎo)纖維與1個(gè)熱敏電阻串聯(lián)，光敏傳感器通過光導(dǎo)纖維連接到電池管理系統(tǒng)，如圖1所示。

特斯拉的動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的也非常復(fù)雜。整個(gè)電池液冷系統(tǒng)分為2層，第1層冷卻回路專門為動(dòng)力電池組降溫，第2層冷卻回路負(fù)責(zé)與整車外圍的冷卻回路進(jìn)行熱交換。整套電池液冷系統(tǒng)的成本超過了20 000美元。

3.3 18650動(dòng)力電池的阻燃和絕緣安全性

三元型的18650動(dòng)力電池材料通常為鎳鈷錳酸鋰（NCM）或錳酸鋰（LiMn2O4），特斯拉選用的是鈷酸鋰材料的18650動(dòng)力電池，相比磷酸鐵鋰材料電池，三元型和鈷酸鋰電池的高溫狀態(tài)穩(wěn)定性較差，因此需要在電池的安全性保護(hù)方面進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。

每個(gè)單體18650動(dòng)力電池之間需要設(shè)計(jì)保險(xiǎn)裝置、阻燃裝置和絕緣防護(hù)裝置，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)單體電池出現(xiàn)問題，保險(xiǎn)裝置需要及時(shí)切斷該電池與其它電池單元的聯(lián)系；一旦某個(gè)單體電池內(nèi)部出現(xiàn)了起火或爆炸情況，阻燃裝置可控制火勢(shì)，不至于蔓延到整個(gè)電池包；如果某個(gè)電池單體內(nèi)部出現(xiàn)了漏液或電路出現(xiàn)了短路等故障，絕緣防護(hù)裝置需要立即將漏液的電池或短路的電路與整個(gè)高壓電路隔離開，防止其它正常狀態(tài)的電池和電路受損。

整個(gè)18650動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的目標(biāo)是，盡量降低單體18650動(dòng)力電池的損壞風(fēng)險(xiǎn)，即使某個(gè)18650動(dòng)力電池出現(xiàn)問題，車輛也不會(huì)因此拋錨，僅是車輛的續(xù)駛里程受到影響。

4 18650動(dòng)力電池安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮18650動(dòng)力電池國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)和應(yīng)用的實(shí)際情況、整車布置空間限制要求和比能量設(shè)計(jì)要求，該款純電動(dòng)乘用車所用的18650動(dòng)力電池選用NCM材料電池，動(dòng)力電池箱布置在底盤下部。整個(gè)18650電池包的總質(zhì)量比方形和軟包電池包輕約129 kg，約為方形和軟包電池總質(zhì)量的63.7%。

4.1 18650動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)

18650動(dòng)力電池內(nèi)部設(shè)計(jì)有自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PTC裝置（Positive Temperature coefficient resistance,PTC）。PTC裝置通常由聚合物和導(dǎo)電材料組成，在正常工作狀態(tài)下，導(dǎo)電材料構(gòu)成了導(dǎo)電通路，處于低阻狀態(tài)；當(dāng)電池出現(xiàn)故障產(chǎn)生異常電流時(shí)，導(dǎo)電通路斷開，PTC阻值迅速升高從而抑制異常電流；當(dāng)故障排除后，導(dǎo)電材料重新構(gòu)成導(dǎo)電通路，PTC阻值又恢復(fù)為低阻狀態(tài)。

在18650動(dòng)力電池內(nèi)部設(shè)計(jì)有雙極耳結(jié)構(gòu)，即在動(dòng)力電池的負(fù)極片兩側(cè)分別焊接有長(zhǎng)極耳和短極耳，一方面改善了電池大電流充放電性能，另一方面保證了極耳的焊接穩(wěn)定性。

在18650動(dòng)力電池的內(nèi)部增加了電流切斷裝置CID（Current Interrupt Device,CID），如圖2所示。其原理是：當(dāng)18650動(dòng)力電池單體失效時(shí)（如過熱、短路和過充等），其內(nèi)部有可能產(chǎn)生很多氣體，氣體會(huì)使電池內(nèi)部壓力增大，此時(shí)焊接到鋁板和泄壓片上的焊點(diǎn)將脫落，泄壓片翻轉(zhuǎn)，CID裝置將單體電池內(nèi)部電路與正極切斷，氣體被及時(shí)放出，相鄰電池的柔性連接裝置斷開，這樣就避免了單個(gè)電池單體失效引發(fā)的連鎖反應(yīng)，同時(shí)將電池失效的范圍控制在最小。

4.2 18650動(dòng)力電池的熱管理安全性設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確獲得18650動(dòng)力電池箱使用過程中的環(huán)境溫度情況，選擇了1輛同型號(hào)的乘用車在廣州（夏季）市區(qū)路面上進(jìn)行了4天的車輛溫度統(tǒng)計(jì)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 廣州（夏季）城市路面環(huán)境下車輛溫度變化情況 ℃

由表1可知，動(dòng)力電池箱所在的底盤下部屬于整車上環(huán)境溫度變化不敏感位置，在行車過程中底盤下部的環(huán)境溫度較為恒定，維持在40℃左右，環(huán)境溫度變化范圍≤3℃，屬于動(dòng)力電池箱較理想的安裝位置。

動(dòng)力電池箱安裝位置確定后，需要選擇合適的動(dòng)力電池冷卻方式來滿足EV車輛的使用要求。經(jīng)綜合考慮，該款純電動(dòng)乘用車所用18650動(dòng)力電池選用風(fēng)冷冷卻方式。表2是試驗(yàn)得到的18650動(dòng)力電池不同放電倍率下溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3為不同充放電倍率下，電池容量和溫度的變化曲線。由表2可知，該18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的電池溫度宜控制在50℃以下。

表2 18650動(dòng)力電池倍率放電發(fā)熱溫升試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2和圖3的測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)建18650動(dòng)力電池的生熱仿真計(jì)算模型，動(dòng)力電池生熱行為的分析計(jì)算可選用以下熱平衡方程[8～10]：

式中，q為電池的生熱速率；ρ為材料密度；cp為質(zhì)量定壓熱容；T為電池溫度；Ta為空氣溫度；qc為電池通過表面向外的熱量耗散率；h為電池表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)；a為參與計(jì)算電池發(fā)熱率的截面積；Eo為電池開路電壓；E為電池電壓；ap和an分別為參與計(jì)算電池發(fā)熱率的正、負(fù)極截面積；λ為電池不同方向的輻射影響參數(shù)（熱導(dǎo)率）；ip和in分別為電池正極和負(fù)極的內(nèi)阻；Vp和Vn分別為電池正、負(fù)極的潛在性電壓；rp和rn分別為電池正、負(fù)極的內(nèi)阻計(jì)算值。

電池的生熱包括化學(xué)反應(yīng)熱和焦耳熱?；瘜W(xué)反應(yīng)熱qc和焦耳熱qJ的計(jì)算公式分別為：

式中，ΔS為電池內(nèi)部的熵變化；F=96 484.5 C/mol為法拉第常數(shù)；n為參與化學(xué)反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移個(gè)數(shù)；i為電池的通過電流。

根據(jù)以上的理論計(jì)算公式，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以構(gòu)建18650動(dòng)力電池的生熱理論仿真計(jì)算模型，圖4為設(shè)計(jì)的18650動(dòng)力電池箱風(fēng)冷內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)的熱管理系統(tǒng)原理。由圖4可知，整車通過外圍設(shè)計(jì)的液冷管路，將空調(diào)的冷媒通過銅管引入到電池箱內(nèi)部的冷凝器，電池箱內(nèi)部冷卻后的空氣通過蒸發(fā)器由風(fēng)扇吹向電池箱內(nèi)部，構(gòu)成內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)的流場(chǎng)，使得風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的電池得到冷卻，圖4中箭頭方向?yàn)槔鋮s風(fēng)循環(huán)流動(dòng)方向。同時(shí)電池箱內(nèi)部還設(shè)計(jì)有電池加熱裝置（PTC加熱器），加熱電路和充電電路并聯(lián)在一起，當(dāng)充電機(jī)給電池充電時(shí)，加熱回路斷開；當(dāng)電池需要加熱時(shí)充電回路斷開，充電機(jī)提供加熱電源給動(dòng)力電池PTC加熱器進(jìn)行加熱[11]。由于整個(gè)電池箱的風(fēng)冷循環(huán)僅僅在電池箱的內(nèi)部進(jìn)行,因此電池箱體可以做到很高的IP防護(hù)等級(jí)（IP67）。

4.3 18650動(dòng)力電池模組的阻燃和絕緣安全性設(shè)計(jì)

為了防止單體18650動(dòng)力電池失效引起相鄰的電池單體損壞，需要在電池模組的設(shè)計(jì)中考慮不同電池單體之間的通風(fēng)、阻燃和絕緣防護(hù)設(shè)計(jì)。由于不同電池單體之間需要保持足夠的安全距離，但是安全距離過大又會(huì)增大18650電池模組的設(shè)計(jì)尺寸，影響箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因此需要在電池模組的設(shè)計(jì)中兼顧足夠的安全距離和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

通過大量的仿真模型計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，最終確定動(dòng)力電池模組的電池單體表面積最小距離為2 mm，如圖5所示。整個(gè)電池模組結(jié)構(gòu)為蜂窩狀設(shè)計(jì)，在上下固定裝置上均裝有ABS底板，單體電池和鋁制的集流板焊接在一起，并聯(lián)的電池單體直接通過可熔斷柔性連接裝置連接（圖2）。

在不同電池模組之間增加了絕緣紙以提高絕緣的可靠性，電池模組正負(fù)極的匯流排與電池模組接觸的位置貼有加厚的絕緣紙，所有的電池單體焊接后采用不可燃固態(tài)膠進(jìn)行灌膠處理。電壓采樣線、溫度傳感器線纜、溫度傳感器采樣線束固定膠帶等均為阻燃材料[12]。

5 18650動(dòng)力電池安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真

5.1 18650動(dòng)力電池的系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)仿真

按照18650動(dòng)力電池安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，搭建控制系統(tǒng)模型，通過仿真計(jì)算預(yù)估安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

在仿真試驗(yàn)過程中，可通過在動(dòng)力電池系統(tǒng)仿真計(jì)算模型中人為修改關(guān)鍵輸入信號(hào)的閥值觸發(fā)一些故障，以此觀察18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的故障處理機(jī)制是否生效。修改輸入?yún)?shù)為：輸入電流值為350 A，觸發(fā)電流過流故障，持續(xù)10 ms后設(shè)置為小電流正常值20 A；輸入電壓值為380 V，觸發(fā)電池過壓故障，持續(xù)8 ms后設(shè)置為正常值；輸入電壓差值為1 000 mV，觸發(fā)電壓差過大故障，持續(xù)15 ms后設(shè)置為正常值300 mV。在電池系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求中，過流、過壓和電池壓差過大等故障都會(huì)觸發(fā)整個(gè)高壓系統(tǒng)上報(bào)系統(tǒng)故障，但不會(huì)被系統(tǒng)鎖定故障，即故障自動(dòng)消失后系統(tǒng)故障也消失，高壓系統(tǒng)恢復(fù)正常；絕緣故障會(huì)觸發(fā)高壓系統(tǒng)上報(bào)嚴(yán)重故障并被鎖定，在絕緣故障消失后系統(tǒng)故障不消失且被鎖死。在絕緣故障觸發(fā)系統(tǒng)嚴(yán)重故障后，如果此時(shí)的車速≥30 km/h，則高壓系統(tǒng)不掉電，車輛以較低車速（25 km/h）行駛，儀表會(huì)提醒駕駛員車輛出現(xiàn)故障，需要盡快停車維修。

圖6為18650動(dòng)力電池系統(tǒng)故障仿真結(jié)果，由圖6可看出，所設(shè)計(jì)的電池安全管理系統(tǒng)及時(shí)上報(bào)了相應(yīng)過流、過壓和電池壓差過大觸發(fā)的故障，在故障自動(dòng)消失后，電池安全管理系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)；絕緣故障觸發(fā)后，電池安全管理系統(tǒng)上報(bào)嚴(yán)重故障，絕緣故障消失后，故障不消失且被鎖定，仿真試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 18650動(dòng)力電池的熱管理安全性仿真

將需要仿真分析的18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱管理流場(chǎng)問題假設(shè)為穩(wěn)態(tài)問題，采用分離式算法，將分析的模型全部設(shè)定為不可壓的常密度模型，選擇Realizablek-epsilon湍流模型進(jìn)行分析。設(shè)定設(shè)計(jì)流場(chǎng)流量要求為308CFM，選用的內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速為3 800 r/min，控制溫度值設(shè)為30℃，選用空氣為冷卻介質(zhì)進(jìn)行分析計(jì)算。圖7為通過軟件仿真分析得到的1865動(dòng)力電池某典型截面積的發(fā)熱量計(jì)算云圖。

由圖7可看出，由于冷卻風(fēng)分布并不均勻，這個(gè)截面位置的電池溫度偏高，需要重新設(shè)計(jì)電池包內(nèi)部的流場(chǎng)導(dǎo)流裝置。根據(jù)18650動(dòng)力電池理論生熱模型計(jì)算結(jié)果和電池箱內(nèi)部冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)分析結(jié)果，對(duì)動(dòng)力電池箱內(nèi)部的電池模組排布結(jié)構(gòu)和導(dǎo)風(fēng)槽重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以降低流場(chǎng)內(nèi)部的風(fēng)阻，并將圖4中所示的冷卻風(fēng)扇位置重新進(jìn)行了調(diào)整，將原有的5個(gè)風(fēng)扇增加到11個(gè)，冷凝器兩邊布置2個(gè)風(fēng)扇，箱體的4個(gè)底角位置各增加1個(gè)反向?qū)Υ碉L(fēng)扇，以滿足18650動(dòng)力電池的風(fēng)冷內(nèi)循環(huán)溫度熱管理要求。

圖8為更改電池箱內(nèi)部流場(chǎng)設(shè)計(jì)后的仿真分析結(jié)果，由圖8可看出，重新設(shè)計(jì)后的電池箱內(nèi)部冷卻風(fēng)流場(chǎng)循環(huán)分布更加均勻，模組內(nèi)部的冷卻情況改善，模組之間的溫度不均衡性變得很小。

圖9為更改設(shè)計(jì)后的18650動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在NEDC工況下運(yùn)行時(shí)的電池平均溫度仿真計(jì)算結(jié)果。由圖9可看出，在NEDC工況下，18650動(dòng)力電池的溫度隨車速的增加呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，在高速運(yùn)行工況下溫度累積上升較快，在中低速工況下電池溫度增加較為平緩，整個(gè)NEDC工況下電池平均溫度累積最高增加約7℃，符合設(shè)計(jì)要求。

6 18650動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性試驗(yàn)

6.1 18650動(dòng)力電池的安全性試驗(yàn)

18650動(dòng)力電池的單體安全性試驗(yàn)包括硬件短路試驗(yàn)、單體爆炸試驗(yàn)、熱失穩(wěn)試驗(yàn)和碰撞擠壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 18650動(dòng)力電池單體安全性試驗(yàn)結(jié)果

圖10為18650動(dòng)力電池的單體爆炸和單體燃燒試驗(yàn)照片。由圖10可看出，發(fā)生單體電池爆炸時(shí)，正極電池帽被沖開，模組中相鄰的電池單體未受到影響；與此類似，發(fā)生單體電池燃燒時(shí)，正極電池帽被沖開，火勢(shì)持續(xù)超過10 s后自動(dòng)熄滅，相鄰1個(gè)電池的阻燃板被熏黑。

圖11為整車搭載18650動(dòng)力電池箱進(jìn)行GB 20072—2006后碰撞試驗(yàn)后動(dòng)力電池箱拆解后的照片。由圖11可看出，經(jīng)過整車后碰撞試驗(yàn)后，18650動(dòng)力電池箱發(fā)生了沖擊變形，某塊采集從板燒毀，導(dǎo)致相連接的3個(gè)電池模組短路損壞，部分電池模組發(fā)生較大變形，拆解后發(fā)現(xiàn)電池單體有明顯的擠壓變形情況，電池模組電壓正常。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然動(dòng)力電池包有電池模組和元器件損壞，但是沒有發(fā)生爆炸、起火、冒煙、漏液等情況，整個(gè)高壓電路被切斷，絕緣檢測(cè)正常，因此整個(gè)后碰撞試驗(yàn)通過了GB 20072—2006和GB/T 19751—2005的要求，即所設(shè)計(jì)的18650電池模組的安全性滿足設(shè)計(jì)要求。

6.2 18650動(dòng)力電池的熱管理安全性試驗(yàn)

圖12是整車在NEDC循環(huán)工況下測(cè)試得到的18650動(dòng)力電池相關(guān)數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)是從示波器上采集到的7個(gè)最關(guān)鍵的電池信號(hào)變化情況。測(cè)試開始時(shí)18650動(dòng)力電池SOC值為95.7%，接近滿電。試驗(yàn)初始時(shí)刻初始電池溫度為27℃，完成1個(gè)NEDC循環(huán)工況測(cè)試后，SOC值為86.5%，電池的最低溫度、平均溫度和最高溫度依次為30℃，33℃和36℃，電池的最高溫升為9℃，最低溫升為3℃，平均溫升為6℃，最大溫差為6℃。

為測(cè)試18650動(dòng)力電池系統(tǒng)是否可達(dá)到熱均衡，對(duì)18650動(dòng)力電池箱進(jìn)行了低溫下的加熱循環(huán)測(cè)試。試驗(yàn)在初始溫度為-10℃的恒溫恒濕箱中進(jìn)行，加熱器功率為600 W。測(cè)試條件為：加熱過程中風(fēng)扇正向吹風(fēng)7 min，反向吹風(fēng)3 min，循環(huán)進(jìn)行；控制策略為：電池最低溫度Tmin≤10℃時(shí)啟動(dòng)加熱器，電池最大溫差△T＞15℃時(shí)關(guān)閉加熱器，電池最低溫度Tmin≥12℃時(shí)關(guān)閉加熱器，循環(huán)進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間為1 h。表4為18650動(dòng)力電池箱在低溫下的加熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果。

表4 18650動(dòng)力電池箱加熱均衡試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，在加熱試驗(yàn)的前20 min，18650動(dòng)力電池單體的加熱效果不一致，有的電池溫升較快，有的電池溫升較慢，溫升快的電池最高溫度為1℃，溫升慢的電池最低溫度為-10℃，平均溫度為-6℃，電池溫差較大，熱不均衡現(xiàn)象明顯；當(dāng)試驗(yàn)在20～40 min范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)，電池溫差加大，熱不均衡現(xiàn)象加劇；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至40～60 min時(shí)，溫度較高的電池溫度開始接近熱平衡，溫度較低的電池溫度上升速度加快，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)整個(gè)電池系統(tǒng)基本達(dá)到了熱平衡，最大溫差在可接受的范圍內(nèi)（≤5℃）。這個(gè)結(jié)果也說明了在加熱過程中電池溫度呈現(xiàn)逐漸達(dá)到熱平衡的趨勢(shì)。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過合理的電池安全防護(hù)設(shè)計(jì)，18650動(dòng)力電池系統(tǒng)可以擁有其它類型動(dòng)力電池系統(tǒng)同級(jí)別的安全性能。

7 結(jié)束語

針對(duì)在某純電動(dòng)乘用車所EV車輛上應(yīng)用的18650動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行了研究，探討了18650電池的特點(diǎn)和在EV車輛上的應(yīng)用情況。

a.建立某純電動(dòng)乘用車所了18650動(dòng)力電池的生熱計(jì)算模型，分析了18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的內(nèi)部流場(chǎng)，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

b.針對(duì)某純電動(dòng)乘用車所用18650動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行了安全性設(shè)計(jì)，通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了其安全性。

c.通過對(duì)該18650動(dòng)力電池系統(tǒng)的實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)和低溫加熱均衡試驗(yàn)，表明其具有良好的熱管理性能。

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年2月27日。

A Research on Safety Design of 18650 Power Battery System Based on Air Cooling Mode

Pei Feng,Fu Xingfeng
（Guangzhou Automobile Group CO.,LTD Automotive Engineering Institute）

18650 power battery system based on air cooling internal circulation structure is designed in accordance with operating requirement of an electric passenger vehicle,and structural safety,thermal management safety,flame retardant and insulation safety are studied and analyzed.Based on test data,and also in combination with theoretical calculation formula,18650 power battery heat generation calculation model is built,and flow field of battery air cooling internal circulation system is analyzed and calculated,design of battery pack internal flow field is optimized according to simulation results.Safety of 18650 power battery system based on air cooling mode is proved by vehicle test and low temperature heating equilibrium test.

Electric passenger vehicle,18650 power battery,Safety performance,Air cooling internal circulation system

純電動(dòng)乘用車 18650動(dòng)力電池 安全性 風(fēng)冷內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)

U467.1

A

1000-3703（2015）08-0048-06

863計(jì)劃資助（2011AA11A218）；廣東省重大科技專項(xiàng)（00191350136655018）。