新能源汽车过热问题及关键技术分析

2020-05-31 23:10:27·  来源:汽车热管理之家  
 
2020 年1 月目前,国内外学者对新能源汽车过热问题进行了大量的研究。研究了锂离子电池充放电过程中的热特性;研究了低压环境对锂电池热失控释放温度的影响;研
2020 年1 月目前,国内外学者对新能源汽车过热问题进行了大量的研究。研究了锂离子电池充放电过程中的热特性;研究了低压环境对锂电池热失控释放温度的影响;研究了锂离子电池模组结构因素对热失控传播的影响;研究了电池连接方式对热失控传播的影响;研究了基于阻抗相移快速监测法的三元锂电池热失控预警策略;提出了一种串联电池组接触电阻故障诊断策略,及时预警识别热失控风险。新能源汽车过热问题的机理、解决方法(结构、策略)2个方面的研究已经得到了一定的完善,但是对过热问题原因、减少过热问题措施的研究还有很大的拓展空间。文章从用户因素、服务站因素及车企因素进行了过热问题的原因分析并提出了解决措施。

1 过热问题原因分析

1.1 用户因素


1.1.1 充电方式

由于三元锂电池的高能量密度特性,使得其成为新能源乘用车广泛采用的电池。然而三元锂电池热稳定性较差,一旦过热(达到70~120 ℃),单体电池会出现膨胀现象,严重时会释放易燃有毒气体。因此把电池包的温度控制在标准范围内是减少过热风险的有效措施。目前市场上新能源汽车分为家用版和运营版。为了减少成本,部分家用版新能源汽车电池包内部没有安装冷循环系统。在夏季高温环境下,用户若经常采用直流快充方式充电,锂电池内部温度会因大电流充电工况而急剧升高,严重时会存在过热风险。

1.1.2 用户改装

正常工况下新能源汽车的行驶状态和各控制器状态都已经经过试验测试,达到了比较理想的状态。部分用户为了给其他设备供电,可能会私自改装线缆连接、飞线充电,这会导致整车的平衡状态被打破,续驶里程发生变化,严重的话会导致电气故障,引发过热风险。

1.1.3 使用场景

雨天行驶是汽车常见工况,新能源汽车是电气高度集成化的产物,绝缘故障检测是过热问题管控的重中之重。新能源汽车通常会经过一系列的浸水测试,但是由于车辆生产过程中的不一致性,车辆在长时间经过涉水路段或者在暴雨天气时泡水,可能会导致车身控制器的常电电路进入异物,造成接插件端子间发生微短路并逐渐产生铜绿腐蚀,严重时会产生火弧烧蚀,存在过热风险。雨天充电也是较为常见的充电使用场景,它对充电桩的绝缘要求很高。在雨天充电时,若发现充电枪口磨损严重,无法确认其密封性时,应换桩充电,避免过热风险。

1.2 服务站因素

目前,新能源汽车发展较快,但其售后维修市场却发展缓慢。各个服务站维修水平参差不齐,大部分服务站都缺乏专业的高级维修工程师,这可能会带来一些潜在的过热风险。

1.2.1 软件角度

由于新能源汽车发展较快,各控制器软件版本更新换代随之加快。部分服务站在给新能源汽车刷写最新版软件时,存在将其他车型的控制器软件版本更新到保养车辆的现象。由于软件版本不一致,在充电过程中会存在动力电池过充风险,即单体电压达到截止电压(4.2 V)时,汽车仍在充电。动力电池过充会导致单体电池正极材料严重脱锂,使正极材料与电解液发生化学反应产生大量热量,若电池模组结构设计不合理,会导致热量无法传播,引发热失控。

1.2.2 硬件角度

新能源汽车故障从硬件角度可以分为高压线束故障和系统部件故障。

高压线束接插件接插需要遵循插拔力标准。服务站在进行排查维修复原时,如果高压接插件接插不到位,汽车在颠簸路况行驶时产生的剧烈抖动以及大油门时刻产生的大电流2 个因素会造成高压线束接插件部分产生电弧,引发烧蚀,带来过热风险。

系统部件故障分为电池包内、外故障。1)电池包内故障:目前新能源汽车电池包由几千个单体电池组成,几个单体电池组成一个电池模组,每个电池模组之间用铜排连接。服务站在拆解、维修、更换电池模组时,如果对高压铜排连接的螺栓未拧紧或者固定不到位,可能会导致行驶过程中铜排螺栓处抖动,产生电弧引发烧蚀,严重时有整包过热的风险;2)电池包外故障:电机控制器及高压分线盒中存在大量的电子元器件,服务站在拆装维修完电机控制器或者高压分线盒时,如果没有对系统内部进行清洁,可能会导致一些异物(例如小螺钉、铁丝或汗珠等)进入系统部件,进而导致行车中高压短路,引起过热风险。

1.3 车企因素

1.3.1 设计问题

随着新能源汽车的快速发展,部分车企技术积累不足的缺点逐渐暴露。导致过热的设计问题主要是电池包设计不合理,主要包括:

1)结构设计问题。电池包内部由众多电池模组、低压线束、配电铜排及控制器组成,设计时若未考虑到极端工况下的使用情况,可能会导致电池包内部出现干涉,进而引发过热问题。某新能源汽车在电池包设计时,未考虑到电池模组采样线束与模组上盖板挤压干涉的可能性,导致汽车在一些极端工况下,采样线束会被挤压磨损,进而引发短路,导致过热问题。

2)功能及可靠性测试问题。部分车企为了获得政府补贴,盲目追求项目进度,缩短了电池包功能及可靠性的测试验证时间,导致工程解决方案不成熟,这是造成售后产品质量问题频发的根本原因,严重的会导致过热问题。

1.3.2 制造问题

生产制造问题是新能源汽车产生过热现象的重要原因,可以分为供应商制造问题和车企制造问题。

供应商制造问题表现为高压线束问题和电池模组问题。1)高压线束问题:新能源汽车在使用过程中电流达到几百安,绝缘层失效、高压线束电缆与接插件端子的压接高度、长度不达标,都会导致新能源汽车高压上电时发生短路,引起火弧。2)电池模组问题:电池模组主要由串并联的单体电芯、温度传感器、采集信号板等组成,导致过热的失效模式主要有模组装配故障和模组焊接故障。a.模组装配故障:单体电芯串并联集成模组时采用机械结构件固定,预紧力会使电芯之间的绝缘层互相挤压,行车过程中剧烈的抖动会加剧该现象,造成模组绝缘(蓝膜)破损;b.模组焊接故障:模组中电芯的极耳是通过激光或者超声波焊接,若焊接过程中存在虚焊或者焊渣,都可能会导致极耳连接片过热,出现模组漏电的现象。

车企制造问题主要有电池包制造问题和整车制造问题。电池包制造过程中,新能源汽车存在的过热风险主要是由于高压接插件装配不良。电池包由几十个电池模组串联而成,电池模组通过铜排连接。由于铜排装配螺栓过多,会存在螺栓未拧紧或者未拧现象,造成行驶过程中抖动带来的大电流烧蚀现象。整车制造问题主要是高压线束与系统部件的接插装配和螺栓装配问题,两者都受人为因素影响较大,极易流到售后市场导致过热故障。

2 减少过热问题措施

2.1 用户及服务站层面


在条件允许的范围内,用户应尽量选择交流慢充的充电方式;夏季进行充电时,选择阴凉的地点或者选择在晚上充电,避免高温天气暴晒;避免私自改装车,若需改装应到专业机构评估实施;在使用场景方面,避免暴雨天气充电,汽车泡水后应第一时间到服务站进行维护保养。

服务站应积极参加车企或者国家组织的新能源汽车维修培训,定期开展维修技术讨论,形成持续学习的习惯,积极引导用户规范用车。

2.2 车企层面

2.2.1 设计角度

车企在进行研发设计时,应严格遵守政策法规,保证试验验证的充分性,避免出现验证周期短导致后期质量问题频发的现象。电池包内部的结构设计应该充分考虑到电池包内部干涉问题(是否有压伤的风险、模组与线束在长期行驶中是否有磨损的风险)、内部结构散热合理性(模组结构可有效减缓电池模组热失控反应的发生速率,再通过适当的电池控制策略规避过热模组扩散至其他电池模组);采用具有电池包热失控扩散时间预测的模型策略,及时预警;合理布置电池包内部冷却回路结构。针对售后反馈的浸水电池包,制定零部件评估标准,根据浸水程度确定电池包更换标准。

2.2.2 制造角度

针对已发生过热问题的电池模组,车企联合国家大数据平台中心进行数据分析,评估找出电池模组生产制造过程中过热发生比例较高的工艺点,对其进行优化整改或者制定国家标准。

针对电池包中高压铜排连接处螺栓未拧紧或者松脱的现象,在研发角度,设计螺栓连接不良故障策略,如通过对相邻单体电池采样数列的相关系数进行数据分析,诊断螺栓连接松脱故障;在制造工艺角度,采用高精度传感器式螺栓拧紧设备,实时监控螺栓力矩曲线数据,保证螺栓拧紧到位,避免歪斜、假贴合现象的发生。

2.3 国家层面

政府可以通过政策驱动、强化标准、加大监控三方面对新能源过热问题进行管控。1)政策驱动:在汽车行业安全评分指标中,针对新能源汽车将动力电池的安全表现增加分项,鼓励车企将电动汽车安全性作为第一核心要素;制定车辆检查政策,要求车企定期对新能源车辆进行检查维护,排除安全隐患。2)强化标准:加强加严安全测试工况,覆盖更多的极限工况(如下雨天充电及行车、过积水路段时间及次数、下雨天滑车、碰撞、充电后不拔枪或者软件策略异常导致不拔枪引起的过充等);加快实施新能源汽车安全强制性国家标准,建立新能源汽车召回等制度。3)加大监控:加大督察力度,采用地方和行业自查、政府多部门联合进行不定期实地督察形式;通过大数据监控平台对各车企新能源车辆状态进行后台监控,设置过热故障预警机制,及时处理过热风险车辆。

3 结论

随着新能源汽车的快速发展,过热问题已经成为售后市场经常出现的重要问题之一。文章主要研究了造成过热问题的原因及减少过热问题的措施。根据当前售后市场所表现出的过热问题,提出用户习惯引导、服务站维修能力提升等措施,可以防止售后市场新能源汽车过热问题的流出;车企技术积累创新、国标加强加严是解决新能源汽车过热问题的根本。 
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