新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)策略及其實(shí)證研究

何健

摘 要：隨著全球能源危機(jī)的日益加劇，汽車(chē)尾氣排放以及能源短缺問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重，汽車(chē)動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的重要組成部分，其安全性對(duì)新能源汽車(chē)的發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。電池系統(tǒng)是新能源汽車(chē)的核心部件，其安全性能不僅關(guān)系到新能源汽車(chē)的質(zhì)量及消費(fèi)者人身安全，更是關(guān)系到整個(gè)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在國(guó)家政策及市場(chǎng)需求的雙重驅(qū)動(dòng)下，近年來(lái)我國(guó)新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)性能和安全性得到了快速提升。對(duì)此，本文將詳細(xì)闡述新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)策略，并進(jìn)行實(shí)證研究，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)設(shè)計(jì)人員提供一些必要的參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē) 電池系統(tǒng) 安全性 設(shè)計(jì)策略 實(shí)證研究

1 引言

在新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，安全問(wèn)題始終是一個(gè)不能回避的話題。動(dòng)力電池的安全性是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括電池材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、使用維護(hù)等多個(gè)方面，其中最重要的是電池系統(tǒng)本身的安全。電池系統(tǒng)本身安全不僅涉及到動(dòng)力電池內(nèi)部的材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面，還涉及到外部的電磁兼容與消防安全等問(wèn)題。隨著新能源汽車(chē)在中國(guó)市場(chǎng)的不斷普及，消費(fèi)者對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性越來(lái)越重視。為了有效控制和管理動(dòng)力電池系統(tǒng)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，保證車(chē)輛在使用過(guò)程中不出現(xiàn)意外情況，新能源汽車(chē)企業(yè)在動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其安全性設(shè)計(jì)策略。

2 新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 功率密度

目前，新能源汽車(chē)使用的三元鋰離子電池，可以達(dá)到300 Wh/kg左右，而普通燃油車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的功率密度一般在150 Wh/kg左右。同樣的動(dòng)力電池系統(tǒng)，功率密度越大，汽車(chē)的續(xù)駛里程就越長(zhǎng)。在電池的使用壽命上，傳統(tǒng)燃油車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)要比新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)短很多。因?yàn)閭鹘y(tǒng)燃油車(chē)在使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)汽油的揮發(fā)、動(dòng)力電池系統(tǒng)老化等情況，導(dǎo)致動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用壽命也會(huì)大大降低。

2.2 使用安全性

動(dòng)力電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，就會(huì)將其放置在一個(gè)密封的箱體內(nèi)，以保證在極端情況下不會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題；動(dòng)力電池系統(tǒng)會(huì)配備熱管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)熱管理技術(shù)的優(yōu)化，使動(dòng)力電池系統(tǒng)的溫度可以控制在合理范圍內(nèi)；動(dòng)力電池系統(tǒng)還會(huì)配備監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常情況，比如動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電或其他異常情況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)及時(shí)預(yù)警并進(jìn)行處理。

2.3 使用便利性

新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，不僅體現(xiàn)在續(xù)駛里程上，還體現(xiàn)在充電便利性上。目前，新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的快充能力，一般可以達(dá)到0.5～1小時(shí)；而傳統(tǒng)燃油車(chē)，充電時(shí)間則需要1～2小時(shí)。在使用便利性上，新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)也有更好的表現(xiàn)。

3 新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)策略

3.1 材料設(shè)計(jì)

材料是汽車(chē)安全的重要組成部分，對(duì)新能源汽車(chē)而言，電池系統(tǒng)作為核心部件，其安全性至關(guān)重要。為提升電池系統(tǒng)的安全性，在材料設(shè)計(jì)方面需要考慮到以下幾點(diǎn)：（1）電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)電池系統(tǒng)的核心，對(duì)電池系統(tǒng)的性能起到?jīng)Q定性作用。在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要涉及到電芯、模組、電池組、整包和附件等幾個(gè)部分，其中電芯是整個(gè)電池系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的零部件。因此在電芯的選擇上，需要考慮到其安全性，確保其具備耐高電壓、高倍率等優(yōu)點(diǎn)，為了提升動(dòng)力電池包的安全性，通常會(huì)在電芯的設(shè)計(jì)上使用金屬外殼包裹、金屬隔板隔離等方式進(jìn)行防護(hù)。（2）隔熱材料選擇。對(duì)于新能源汽車(chē)而言，動(dòng)力電池包本身就屬于一個(gè)十分特殊的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在電池包內(nèi)部除了電芯之外還存在著高壓線纜、絕緣墊、隔熱墊以及隔熱層等零部件，這些零部件均屬于高溫環(huán)境下工作的器件，因此需要對(duì)其材料進(jìn)行選擇以避免在高溫環(huán)境下出現(xiàn)過(guò)熱的情況。具體而言，隔熱材料主要包括三種：金屬、非金屬以及復(fù)合材料。其中金屬材料中以鋁和不銹鋼最為常見(jiàn)；非金屬材料中主要包括陶瓷、塑料等；復(fù)合材料則包括碳纖維和玻璃纖維等。在電池包外部進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到其隔熱性能和安全性問(wèn)題。通常情況下新能源汽車(chē)電池包外部的隔熱主要分為三種形式：第一種是在電芯之間采用泡沫絕緣墊進(jìn)行隔離；第二種是采用多層聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行隔離；第三種則是使用非金屬隔熱墊進(jìn)行隔離。綜合考慮安全性以及成本等因素可以發(fā)現(xiàn)非金屬隔熱墊最適合用于新能源汽車(chē)電池包外部隔熱設(shè)計(jì)[1]。

3.2 熱管理設(shè)計(jì)

電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)是新能源汽車(chē)核心技術(shù)之一，其在提升動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，新能源汽車(chē)的熱管理主要分為冷卻系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)一般由空調(diào)、水泵、水泵電機(jī)、壓縮機(jī)等組成，主要目的是為電池系統(tǒng)提供一個(gè)適宜的溫度環(huán)境。為保證電池系統(tǒng)能夠正常工作，需要對(duì)其進(jìn)行有效的溫度控制。當(dāng)前，針對(duì)電池系統(tǒng)溫度控制的研究主要集中于冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和冷卻方式兩個(gè)方面。目前，市面上常見(jiàn)的冷卻方式主要有風(fēng)冷、液冷及相變材料等。其中風(fēng)冷技術(shù)以其成本低、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)冷卻方式相比，風(fēng)冷技術(shù)具有較好的散熱能力，能夠在一定程度上降低電池發(fā)熱并延長(zhǎng)電池使用壽命。但是由于風(fēng)冷技術(shù)所需冷卻介質(zhì)為空氣，當(dāng)新能源汽車(chē)處于高速行駛狀態(tài)時(shí)，易產(chǎn)生氣流擾動(dòng)導(dǎo)致冷卻效果不佳。相變材料憑借其優(yōu)異的熱管理性能成為新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)領(lǐng)域中的熱門(mén)研究方向之一。相變材料即在一個(gè)物體內(nèi)部存在溫度梯度變化的一種材料，相變材料在熱傳遞過(guò)程中會(huì)發(fā)生相變現(xiàn)象，并且能夠維持一定的溫度范圍。相變材料由于其本身所具備的熱傳導(dǎo)性能，能夠在較大程度上降低熱量損失并維持穩(wěn)定的溫度范圍?；谙嘧儾牧蠈?duì)溫度變化的良好響應(yīng)性，人們將其應(yīng)用于電池系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)良好的熱管理效果。例如，在電池包冷卻系統(tǒng)中引入相變材料后能夠有效降低電池包內(nèi)的溫度變化速率和熱負(fù)荷，從而保證電池包內(nèi)各單體電池之間具有穩(wěn)定的溫度梯度[2]。

3.3 熱失控防護(hù)設(shè)計(jì)

鋰離子電池的熱失控是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，當(dāng)鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)釋放大量的熱量，最終導(dǎo)致熱失控。為了避免熱失控對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)的破壞，可在動(dòng)力電池系統(tǒng)中采用以下防護(hù)措施：（1）針對(duì)單個(gè)電池，通過(guò)設(shè)置多個(gè)溫度傳感器以及增加內(nèi)部冷卻液管路的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；（2）在電池組的底部和側(cè)面，設(shè)置一個(gè)隔熱墊以防止熱量傳遞至電池組內(nèi)部；（3）在電池組中設(shè)置冷卻風(fēng)扇對(duì)電池組進(jìn)行降溫；（4）在每組電池組的正極連接處安裝一個(gè)絕緣墊，并將其置于電池正極連接處，以防止電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳遞至相鄰的單體電芯。絕緣墊可以起到保護(hù)作用，并且在發(fā)生熱失控時(shí)能夠降低系統(tǒng)內(nèi)各單體電芯之間的電壓差，從而避免電芯之間短路或燒斷。（5）在每組電池的正極連接處安裝一個(gè)限壓閥以防止內(nèi)部壓力過(guò)高引發(fā)熱失控。（6）在電池組周?chē)贾靡粋€(gè)接地裝置以減少內(nèi)部電壓差引起的熱失控。此外，還應(yīng)采用其他措施來(lái)防止熱失控現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

3.4 安全冗余設(shè)計(jì)

新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的安全冗余設(shè)計(jì)包括硬件冗余和軟件冗余兩個(gè)方面。硬件冗余是指在電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件上安裝安全模塊，確保出現(xiàn)系統(tǒng)硬件故障時(shí)系統(tǒng)能夠快速切換到其他正常工作模式；軟件冗余是指在電池系統(tǒng)軟件模塊中設(shè)計(jì)合理的冗余算法，一旦出現(xiàn)故障，則能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換。當(dāng)電池系統(tǒng)出現(xiàn)安全故障時(shí)，需要及時(shí)切斷電池包及電機(jī)等關(guān)鍵部件的供電，以實(shí)現(xiàn)對(duì)安全隱患的隔離，并在安全故障排除后及時(shí)恢復(fù)供電，以確保車(chē)輛行駛安全。例如，為了提高整車(chē)安全性，在動(dòng)力電池系統(tǒng)中設(shè)置了冗余的低壓電器保護(hù)電路以及高壓電器保護(hù)電路，一旦動(dòng)力電池發(fā)生故障時(shí)能夠快速切換到其他正常工作模式，從而確保新能源汽車(chē)的安全性。

3.5 高壓安全保護(hù)措施

從結(jié)構(gòu)上講，鋰電池系統(tǒng)分為三個(gè)部分：正負(fù)極、隔膜和電解液，這三部分在制造過(guò)程中需要采取高壓絕緣保護(hù)措施，防止內(nèi)部短路。由于動(dòng)力電池單體電壓高，系統(tǒng)內(nèi)部空間狹窄，難以對(duì)電池單體進(jìn)行高壓絕緣保護(hù)。因此，在動(dòng)力電池系統(tǒng)中通常采用兩種方法進(jìn)行高壓安全保護(hù)：第一種是使用絕緣外殼對(duì)高壓模組進(jìn)行保護(hù)；第二種是采用絕緣隔離裝置對(duì)高壓模組進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于第一種方法來(lái)說(shuō)，該方法能夠有效防止電池單體之間短路的發(fā)生，但由于無(wú)法保證每一顆電芯都能夠被有效地隔離開(kāi)來(lái)，因此存在一定的安全隱患。而絕緣隔離裝置由絕緣殼體和絕緣隔離電纜組成，能夠有效防止動(dòng)力電池系統(tǒng)中不同電芯之間短路。此外，為了進(jìn)一步提高該保護(hù)措施的安全性及可靠性，可以在高壓模組上增加絕緣隔離裝置[4]。

3.6 安全監(jiān)控系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（BMS）是新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心， BMS通過(guò)監(jiān)測(cè)電池的工作狀態(tài)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷電池的故障，確保電池系統(tǒng)在任何情況下都處于安全運(yùn)行狀態(tài)。目前新能源汽車(chē)常用的系統(tǒng)包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、熱管理系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)三大部分。其中，電池管理系統(tǒng)（BMS）主要工作于監(jiān)測(cè)電池工作狀態(tài)和監(jiān)測(cè)整車(chē)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的工作狀態(tài)和整車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷電池的故障，確保動(dòng)力電池的安全運(yùn)行。熱管理系統(tǒng)（BMS）是新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的核心部件，其主要功能是對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行溫度監(jiān)控和熱管理。監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)采集動(dòng)力電池組的工作電壓、電流、溫度等信息并對(duì)其進(jìn)行分析和判斷，對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)還可以根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整工作模式。電氣安全監(jiān)測(cè)是指通過(guò)檢測(cè)動(dòng)力電池組中各部件的電流和電壓，并將其與正常狀態(tài)下的電流和電壓進(jìn)行比較，以判斷動(dòng)力電池組是否存在異常，是否存在短路或者接觸不良等現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象或存在故障隱患時(shí)，則會(huì)及時(shí)提醒車(chē)輛控制單元或整車(chē)控制器進(jìn)行相關(guān)處理。振動(dòng)和沖擊檢測(cè)是指通過(guò)安裝在動(dòng)力電池組上的振動(dòng)和沖擊傳感器檢測(cè)動(dòng)力電池組運(yùn)行過(guò)程中各部件是否產(chǎn)生異常振動(dòng)和沖擊，以判斷動(dòng)力電池組是否出現(xiàn)故障或異常現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)和沖擊傳感器檢測(cè)到有振動(dòng)或沖擊現(xiàn)象時(shí)，則會(huì)通過(guò)相關(guān)軟件或硬件控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的保護(hù)和報(bào)警。除此之外，還可以通過(guò)安裝在動(dòng)力電池組上的加速度傳感器來(lái)檢測(cè)其是否發(fā)生碰撞。如果在車(chē)輛行駛過(guò)程中發(fā)生碰撞事故時(shí)，加速度傳感器將會(huì)通過(guò)采集碰撞事故車(chē)輛上各部件的加速度信號(hào)來(lái)判斷車(chē)輛是否存在碰撞事故，從而采取一定的保護(hù)措施[5]。

4 新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的安全性實(shí)證研究

本文以比亞迪海豚車(chē)型為例進(jìn)行實(shí)證研究，比亞迪海豚作為一款新能源汽車(chē)，采用前麥弗遜式獨(dú)立懸架、后多連桿式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，電池系統(tǒng)搭載了比亞迪自主研發(fā)的刀片電池，采用磷酸鐵鋰材料，電池單體容量為33 Ah。比亞迪海豚搭載了比亞迪自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)（BMS）。該 BMS由電池管理系統(tǒng)、高壓安全保護(hù)系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)三部分組成，分別實(shí)現(xiàn)電池溫度監(jiān)測(cè)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該 BMS能夠有效地降低電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方法為：在車(chē)輛啟動(dòng)前，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為5 min；然后對(duì)車(chē)輛進(jìn)行加速行駛，在60 km/h的速度下進(jìn)行加速操作，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別對(duì)電池單體電壓、電池溫度、電池組溫度5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)電池單體溫度高于40℃時(shí)，電池系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)電池單體溫度高于60℃時(shí)， BMS發(fā)出斷電指令；當(dāng)電池單體溫度超過(guò)70℃時(shí)， BMS發(fā)出過(guò)流指令。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電池系統(tǒng)均未發(fā)生熱失控現(xiàn)象。這表明該 BMS具有過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)功能，能夠有效地避免動(dòng)力電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象的發(fā)生。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于外界因素的影響，例如駕駛?cè)送蝗徊葎x車(chē)、車(chē)輛發(fā)生碰撞等情況，導(dǎo)致動(dòng)力電池單體電壓瞬間下降到很低的水平，此時(shí) BMS開(kāi)始發(fā)出斷電指令。如果沒(méi)有斷電指令的及時(shí)發(fā)出，則有可能導(dǎo)致動(dòng)力電池單體電壓繼續(xù)下降到很低的水平。在這一過(guò)程中，由于動(dòng)力電池單體電壓下降到很低水平后不再繼續(xù)下降，所以 BMS不再發(fā)出斷電指令。這說(shuō)明 BMS在一定程度上能夠避免動(dòng)力電池單體電壓繼續(xù)下降到很低水平時(shí)發(fā)生熱失控現(xiàn)象?；诖?，本文主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：第一，新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)需要充分考慮其實(shí)際使用情況；第二，當(dāng)前國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)在安全性設(shè)計(jì)方面還存在一定不足與缺陷，需要相關(guān)部門(mén)及企業(yè)共同努力進(jìn)行改進(jìn)與完善；相關(guān)部門(mén)及企業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要性以及必要性，從而更好地提升新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池系統(tǒng)，在能量密度、功率密度、續(xù)駛里程、循環(huán)壽命和使用安全性等方面與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，都有不同程度的提升。在性能指標(biāo)上，新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)相比，優(yōu)勢(shì)非常明顯。然而，由于目前我國(guó)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)技術(shù)仍處于起步階段，產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，市場(chǎng)上也存在一定的亂象。因此，我們還需要進(jìn)一步關(guān)注新能源汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況，以便更好地促進(jìn)我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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