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      6大方面系統講解動力電池系統安全設計
      發布時間:2017-09-10 16:40:00 點擊:

          摘要:本文從動力連接結構、密封與絕緣結構、固定與減震結構、高壓風險控制、熱管理設計、電池管理系統等六個方面系統講解了如何將動力電池系統安全性設計做的更好。


      動力電池系統是新能源汽車的最核心的零部件,7月26日,在重慶車輛檢測研究院有限公司、電動汽車資源網聯合主辦了2017中國新能源汽車測試評價技術發展高峰論壇,論壇從動力連接結構、密封與絕緣結構、固定與減震結構、高壓風險控制、熱管理設計、電池管理系統等六個方面系統講解了如何將動力電池系統安全性設計做的更好。

      動力連接結構

      動力連接是指將單體電芯通過串並聯組成電池模組、電池模組通過串並聯組成電池包的連接技術,要求連接結構具有高強度、高可靠性及低阻抗的特點。目前主要采用的動力連接方式爲機械連接或焊接連接。

      機械連接最常見是螺栓連接,此連接方式簡單方便、成本低,且裝拆方便,利于檢修。但這種連接方式缺點是對裝配操作要求高,裝配預緊力及表面質量會造成接觸電阻不穩定;同時螺栓易松動也會造成接觸電阻增大。對于如何保證螺栓連接的可靠性,論壇提出以下幾點:1、要選用足夠強度等級的螺栓螺母,以便承受足夠鎖緊力和機械沖擊力;2、選用防松螺母,以保證長期使用過程中連接處能夠抗機械沖擊和熱沖擊;3、保持連接導電體接觸面潔淨度和平整度,確保接觸面積足夠大;4、接觸表面需要做鍍層,以防止表面腐蝕;5、螺栓螺母確保鎖緊力達到設計值,確保接觸電阻盡量小。

      焊接連接目前最常用的就是電阻焊接和激光焊接,此連接方式自動化程度高,一致性好,生産效率高,但最大問題是維護成本比較高。

      密封與絕緣結構

      關于動力電池系統密封與絕緣結構,值得注意的一點是密封設計。進行密封設計時常常忽略高壓連接器、MSD的防護等級,以及彈性元件等方面的限位,實際上,密封圈不壓得越緊越好,應該有一些限位,保持彈性區間不變形。

      絕緣結構主要分爲電芯的絕緣、模組的絕緣和電池總成的絕緣,電芯的絕緣設計主要是正極與負極集流體之間絕緣,其主要依靠電芯隔膜來實現絕緣設計,利用隔膜較好的力學性能和絕緣特性保證正負極間的絕緣。電芯(正負極集流體和隔膜等構成的總成件)與電池外殼之間的絕緣,主要通過隔膜來實現,在正負極集流體疊片或卷繞,完成後再卷繞2~3層隔膜以保證電池芯與外殼間的絕緣。電池正負極極耳與外殼間的絕緣,主要通過極耳與外殼間增加一層絕緣材料。

      總成的絕緣設計,在模組安裝固定時需要做絕緣防護,模組與模組間的連接線束、電池箱輸出極、手動維修開關也需要做絕緣防護。

      固定與減震結構

      固定結構要有足夠的強度以支撐加速度很大情況下質量很大的電池組,箱體底部設計縱橫梁,安裝固定後與車身連成一起也可以增加車身承載強度。選擇車身上鋼板等級和厚度較高部分作爲基礎,將電池組有效固定,通過受力分析和計算,確定縱橫梁具體的結構、材料型號和厚度。對于縱橫梁和車身的固定連接處,應通過增加強板或改進結構等措施保證強度,使電池箱體即使在在惡劣工況下固定連接處也不發生變形。如車身厚度不能滿足相關焊接標准,可采用局部加厚車身方式保證焊接質量,使電池組固定結構有足夠的安全系數。

      連接時選用螺栓緊固方式,通過綜合考慮電池組質量、碰撞加速度與接合面摩擦系數確定螺栓規格型號。固定點的選取原則是盡可能均勻對稱布置,使各螺栓較平均地承受載荷,推薦安裝固定點6~10個。

      高壓風險控制

      在高壓控制方面,一般將內部高壓電路進行分割。電池包內裝配繼電器,非工作狀態下因爲繼電器觸點斷開,電池包對外無電壓,對于電池運輸、測試、安裝人員來說相對較安全。在電池中間位置安裝手動維修開關,保護在高壓環境下維修電動汽車的技術人員安全或應對突發的事件,可以快速分離高壓電路的連接,使維修等工作處于一種較爲安全的狀態,如外部短路情況保護,維修時需要斷開高壓。目前設計的高壓分割均是模塊化設計方案,考慮到未來量産、降成本的因素,從電芯到成組時將BMS放入,連接將比較可靠,量産時需要的工時數將較小。

      碰撞保護方面,可以將繼電器整合進入系統安全策略,一般是配合碰撞傳感器斷電爲主動安全策略。車的前、後、側面各加碰撞傳感器,在車遭受碰撞時碰撞傳感器反應經過安全氣囊控制器讀取處理以後,將碰撞信息反饋到整車控制器和電池管理系統,在電池包內控制繼電器斷開,電池包高電壓被繼電器斷開,保證乘車安全。

      絕緣檢測方面,較高的供電電壓對整車的電氣安全提出了更高的要求,尤其是對高壓系統的絕緣性能提出了更爲苛刻的要求。絕緣電阻是表征電動汽車電氣安全好壞的重要參數,相關電動汽車安全標准均作了明確規定,目的是爲了消除高壓電對車輛和駕乘人員人身的潛在威脅,保證電動汽車電氣系統的安全。

      在過流保護上,爲了保證車載用電器和乘客的安全,防止短路及過載現象的發生,一般選用熔斷器進行保護。熔斷器的選型涉及以下因素:施加在熔斷器上的電流特性、電壓特性、熔斷器的環境溫度、安裝尺寸限制、應用線路等。當外加電壓和安裝尺寸一定的情況下,熔斷器的選擇主要從電流特性、環境溫度及應用線路3個因素考慮。對于高電流保護區,所選熔斷器應具備以下性能:①容量大,通常在幾十到幾百A;②能夠承受瞬間高電流、高脈沖;③安全可靠性高;④運行環境溫度相對較高;⑤機械特性好。

      高壓互鎖的目的是用來確認整個高壓系統的完整性的,當高壓系統回路斷開或者完整性受到破壞的時候,就需啓動安全措施。這裏面有幾個關鍵:HVIL的存在,可以使得在高壓總線上電之前,就知道整個系統的完整性,也就是說在電池系統主、負繼電器閉合給電之前就防患于未然。HVIL的存在,是需要整個系統構成的,HVIL主要通過連接器完成,主要防範的對象是線束&連接器的連接來確定,無法監測各個部件外殼被打開的情況,所以每個高壓部件開蓋檢測電路是獨立存在的。

      熱管理設計

      動力電池熱管理是爲了能夠准確測量和監控電池溫度;電池組溫度過高時的有效散熱和通風;低溫條件下的快速加熱,使電池組能夠正常工作;有害氣體産生時的有效通風;保證電池組溫度場的均勻分布。

      由于動力電池所采用的電芯規格較小,預留通風通道時,可以在一定程度上增加風道,幫助散熱。熱管理設計時,需要考慮系統整體的匹配,包括電機的功率、電池容量,盡量減小電池的倍率。如果電池倍率設計較爲完善,正常的散熱就已足夠。加熱方面,需要預留加熱的空間,實現天冷充電過程中的加熱。

      電池管理系統

      電池管理系統方面,目前電池管理系統在和整車結合的部分還有較大改善空間。電池管理系統需要對于電池的溫度、工況條件等特性了解得非常透徹,但實際上這並不容易。目前電池的各種問題,主要是因爲對電池的特性了解得不夠,對于電池在任一時刻、任一溫度環境下,電池的放電能力是多大,能夠給整車提供多大的倍率,電池的壽命如何,處于什麽的範圍區間,這都是電池管理系統需要去做的工作。


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