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电动汽车电池性能和安全要点

2021-12-22 23:41:39·  来源：锂电派  
　
新能源汽车的电池是一个复杂的系统，包括单个的电芯，电芯组成的电池包再加上热管理系统。电芯层面▲单个电芯锂电池以高功率密度、高能量密度、寿命长、环保在电
新能源汽车的电池是一个复杂的系统，包括单个的电芯，电芯组成的电池包再加上热管理系统。
电芯层面


▲单个电芯
锂电池以高功率密度、高能量密度、寿命长、环保在电动汽车电池中广泛应用。
能量密度越高的电池，越不稳定。锂离子电池的危险性，主要体现在热失控，俗称失火。
电芯由正极材料、负极材料、电解液构成。锂离子电池在封闭空间中既有还原剂又有氧化剂，不需要外界空气就可以充分自燃 。
在电池原理上未有突破的情况下，我们短期能做的就是尽可能地提高电芯稳定性、安全性。
当下的技术手段主要是提高正、负极材料的稳定性，在电解液中采用阻燃添加剂，采用高安全性隔膜，降低隔膜热收缩率、提高隔膜崩溃温度，降低针刺与过充下热失控的保护装置。
如何隔离开发生热失控的电芯也是一个难题。当热失控发生，如果能够将发生问题的电芯或模组隔离开，就能够有效降低损失，避免自燃。
电池包层面，即PACK层面


▲电池包及模组
单个电芯的容量比较低，需要很多个电芯集成成模组、一个电池系统包含多个模组。通常一个电池系统中包含上百个，甚至上千个电芯。


▲特斯拉电池模组
如果说电芯层面是在关注电池本身的特性，那么PACK层面则重在关注电池与环境的关系，包括加热、挤压、针刺、浸水、震动等等。
PACK层面的安全性，主要由国家/国际标准来保证。
国家标准：GB/T 31485-2015，GB/T 31467.3-2015，GB/T 31498-2015等
国际标准：ISO 12405-2014，IEC 62133-2015, UL 2580-2010
核心：以GB/T 31485-2015，IEC 62133，SAE J2464
只有通过机械安全设计和电气安全设计，才满足严格的测试标准。防护结构、防水设计、防呆设计、防火阻燃设计，接触防护、外短路防护、过流保护设计、高压互锁检测、绝缘检测。
理论上讲，通过层层测试的都不会有什么问题，但仅仅是理论上：
系统架构不合理 ：对外部系统有依赖、所设计的架构开发难度过高
可靠性未达标：硬件的可靠性未达到相应风险的严格程度
开发流程不合理：软件开发流程、开发人员资质、测试验证的独立性
都是潜藏的不安全因素。
电池包的设计制造自然是避免热失控的基本要求，相关措施包括改善电池包的框架设计如降低电池包振动、防火层阻隔、加装钢板、防水防尘等等。
爱驰汽车在电池包的结构上采用了“三明治结构”。
动力电池的冷却方式主要分为风冷与液冷，这与汽柴油发动机非常相似。无论是汽柴油车还是纯电动车，风冷都是最为经济、最为轻便的解决方案，然而空气的比热容非常有限，水冷这个更为高效的解决方案成为业界公认的高阶结构。
然而，“水”与“电”可是一对不愿握手见面的矛盾体，电池水冷结构的安全性成为了业界的难题。为了同时实现高效温控与安全防护，爱驰汽车对其“三明治哲学体系”进行了技术开发，让电池包内的模组成为“两片面包”之间夹着的部分。


▲爱驰汽车的电池包
爱驰汽车经过大量的分析和调研，通过采用低密度、高传热效率的导热材料，完美解决了热传导的难题。从实测的结果看，采用A/B/C三明治结构的电池包，其散热效果与没有B隔离板的电池包基本一致。
电池三明治电池的电池模组（A主料）所在的箱体是独立密封的，下部的整体焊接成型的冷却板（C酱料）被隔离到另外一个独立密封的箱体中，两个箱体之间还有隔离板（B隔层）。


▲爱驰汽车的车身及电池模块组
系统层面
所谓热失控是是由各种诱因引发的链式反应，发热量可使电池温度升高上千度，造成自燃。一旦电池的管理不当，后果会是灾难性的。
热失控的诱因有三类，分别是机械电气诱因、电化学诱因和热诱因。
热失控的诱因是多元的，为此需要做出多重的预防措施，来避免热失控的发生。从电芯的设计和生产，电池包结构设计，电池管理BMS算法开发等多个方面的研究。


▲BMS系统框架
BMS（Battery Management System电池管理系统 ）在整车中主要任务有：
1、保护电芯和电池包不受到损害；
2、使电池工作在合适的电压和温度范围内；
3、在保持电池在合适的条件运行后，满足整车的需求。
BMS赋予了电池耳目(传感器)、大脑(决策)、手脚(执行器)，为新能源汽车提供功能
本职功能：例如，输出与接收能量(从而驱动车辆行驶)，为是电池的基本功能
监控功能：例如，国家标准GB/T-27930在规定非车载充电时电池管理系统与充电机的通讯协议时，就设计了过流、过压、通讯中断等故障下的安全措施，实际上就是电池系统的一种安全监控设计。
这些安全监控功能做得是否充分、是否全面，就决定了电池系统应对故障、将热失控扼杀在摇篮之中的能力。因为热失控常常发生在满电、过充状态下，所以特别关键的环节就是充电，已经做成了国家标准GB/T-27930


电池的状态不容易估计，单是剩余电量（ SOC）这一指标，则通常要使用算法来进行估计。清华大学所开发的电池状态的联合估计算法，在电池状态间相互耦合的关系基础上，同时估计电池的多个状态，包括SOC（State of Charge）、SOH（State of Health）、SOP（State of Power）和SOE（State of Energy）等状态的高精度联合估计。电池状态的精确估计，有助于实时监测电池的充放电状态，避免过充放造成的热失控。


▲电池状态联合估计算法拓扑图
特斯拉真正的绝密技术是高效的电池控制管理系统，其借鉴了互联网程序管理控制成百上千台服务器的模式，引入了分层管理的方法控制这些「活跃的圆柱体」。
特斯拉开发的电池管理系统的优势在于能够准确估测电池单体的荷电状态（State of Charge，SOC），保证 SOC 维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池造成损伤。
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