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                6大方面系统讲解动力电池系统安全设计
                发布时间:2017-09-10 16:40:00 点击:

                    摘要:本文从动力连接结构、密封与↓绝缘结构、固定与减震结构、高压风险控制、热管理设计、电池管理系统等六个方面系统讲解了如何将动♀力电池系统安全性设计做的更好。


                动力电池系统是新能源汽车的最核心的零部件,7月26日,在重庆车辆检测研究院有限公司、电动汽车资源网联合主办了2017中国新能源汽车测试评价技术发展高峰论坛,论坛从动力连接结构、密封与绝缘结构、固定与减震结构、高压风险控制、热管理设计、电池管理系统等六个方面系统讲解了如何将动力电池系〖统安全性设计做的更好。

                动力连接结构

                动力连接是指将单体电芯通过串并联组成电池模组、电池模组通过串并联组成电池包的连接技术,要求连接结构具有高强度、高可靠性及低阻⌒ 抗的特点。目前主要采用的动力连接方式为机械连接或焊接连〗接。

                机械连接最常见是螺栓连接,此连接方式☆简单方便、成本低,且装拆方便,利于检修。但这种连接方式缺点▼是对装配操作要求高,装配预紧力及表面质量会造成接触电阻不稳定;同时螺栓易松动也会造成接触电阻增大。对于如何保证螺栓连接的可靠性,论坛提〗出以下几点:1、要选用足够强度等级的螺栓螺母,以便承受足够锁紧力和机械冲击力;2、选用防松螺母,以保证长期使用过程中连接处能够抗机械冲击和热冲击;3、保持连接导电体接触面洁净度和平整度,确保接触面积足够大;4、接触表面需要做镀层,以防止表面腐蚀;5、螺栓螺母确保锁紧力达到设计值,确保接触电阻尽量小。

                焊接连接目前最常用的就是电阻焊接和激光焊接,此连接方式自动化程度高,一致性好,生产效率高,但最大问题是维】护成本比较高。

                密封与绝缘结构

                关于动力电池系统密封与绝∩缘结构,值得注意的一点是密封设计。进行密封设计时常常忽略高压连接器、MSD的防护等级,以及弹性元件等方面的限位,实际上,密封圈不压得越紧越好,应该有一些限位,保持弹性区间不变形。

                绝缘结构主要分为电芯的绝缘、模组■的绝缘和电池总成的绝缘,电芯的绝缘设计主要是正极与负极集流体之间绝缘,其主要依靠电芯隔膜来实现绝缘设计,利用隔膜较好的力学性能和绝缘特性保证正负极间的绝缘。电芯(正负极集流体和隔膜等构成的总成件)与电池外壳之间的绝缘,主要通过隔膜来实现,在正负极集流体叠片或卷绕,完成后再卷绕2~3层隔膜以保证电池芯与外壳间的绝缘。电池正负极极耳与外壳间的绝缘,主要通过极耳与外壳间增加一层绝缘材料。

                总成的绝缘设计,在模组安装固定时需要做绝缘防护,模组与模组间的连接线束、电池箱输出极、手动维修开关也需要做绝缘防护。

                固定与减震结构

                固定结构要有足够的强度以支撑加速度很大情况下质量很大的电池组,箱体底部设计纵横梁,安装固定后与¤车身连成一起也可以增加车身承载强度。选择车身上钢板等级和厚度较高部分作为基础,将电池组有效◢固定,通过受力分析和计算,确定纵横◥梁具体的结构、材料型号和厚度。对于纵横梁和车身的固定连接处,应通过增加强板或改进结构等措施保证强度,使电池箱体即使在在恶劣工况下固定连接处也不发生变形。如车身厚度不能满足相关焊接标准,可◥采用局部加厚车身方式保证焊接质量,使电池组固定结构有足够的安全系数。

                连接时选用螺栓紧固方式,通过综合考虑电池组质量、碰撞加速度与接合面摩擦系数确定螺栓规格型号。固定点的选取原则是尽可能均匀对称布置,使各螺栓较平均地承受载荷∏,推荐安装固定点6~10个。

                高压风险控制

                在高压控制方面,一般将内部高压电路进行分割。电池包内装配继电器,非工作状态下因为继电器触点断开,电池包对外无电压,对于电池运输、测试、安装人员来说相对较安全。在电池中间位置安装手动维修开关,保护在高压环境下维修电动汽车的技术人员安全或应对突发的事件,可以快速分离高压电路的连接,使维修等工作处于一种较为安全的状态,如外部短路情况保护,维修时需要断开高压。目前设计的高压分割均是模块化设计方案,考虑到未来量产、降成本的因素,从电芯到成组时将BMS放入,连接将比较可靠,量产时需要的工时数将较小。

                碰撞保护方面,可以将继电器整合进入系统安全策略,一般是配合碰撞传★感器断电为主动安全策略。车的前、后、侧面各加碰撞传感器,在车遭受碰撞时碰撞传感器反『应经过安全气囊控制器读取处理以后,将碰撞信息反馈到整车控制器和电池管理系统,在电池包内控制〓继电器断开,电池包高电压被继电器断开,保证乘车安全。

                绝缘检测方☉面,较高的供电电压对整车的电气安全提出了更高的要求,尤其是对高压系统的绝缘性能提出了更为苛∏刻的要求。绝缘电阻是表征◥电动汽车电气安全好坏的重要参数,相关电动汽车安全标准均作了明确规定,目的是为了消除高压电对车辆和驾乘人←员人身的潜在威胁,保证电动汽车电气系统的安全。

                在过流保护上,为了保证车载用电器和乘客的安全,防止短路及过载现象的发生,一般选用熔断器进行保护。熔断器的选型涉及以下╲因素:施加在熔断器上的电流特性、电压特性、熔断器的环境温度、安装尺寸限制、应用线路等。当外加电压和安装尺寸一定的情况下,熔断器的选择主要从电流特性、环境温度及应用线路3个因素考虑。对于高电流保护区,所选熔断器应具备以下性能:①容量大,通常在几十到几百A;②能够承受瞬卐间高电流、高脉冲;③安全可靠性高;④运行环境温度相对较高;⑤机械特性好。

                高压互锁的目※的是用来确认整个高压系统的完整性的,当高压系统回路断开或者完整性受到破坏的时候,就需启动安全措施。这里面有几个关键↘:HVIL的存在,可以使得在高压总线上电之前,就知卐道整个系统的完整性,也就是说在电池系统主、负继电器闭合给电之前就防患于未然。HVIL的存在,是需要整个系统构成的,HVIL主要通过连接器完成,主要防范的对象Ψ 是线束&连接器的连接来确定,无法监测各个部件外壳被打开的情况,所以每个高压部件开盖检测电路是独立存▅在的。

                热管理设计

                动力电池热管理是为了能够准确测量和监控电池温度;电池组温度过高时的有效散热和通风;低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作;有害气体∞产生时的有效通风;保证电池组温度场的均匀分布。

                由于动力电池所采用的电芯规格较小,预留通风通道时,可以在Ψ一定程度上增加风道,帮助散热。热管理设计时,需要考虑系统整体的匹配,包括电机的功率、电池容量,尽量减小电池的倍率。如果电池倍率设计较为完善,正常的散热就已足够。加热方面,需要预留加热的空○间,实现天冷充电过程中的加热。

                电池管理系统

                电池管理系统方面,目前电池管理系统在和整车结合的部分还有较大︽改善空间。电池管理系统需要对于电池的温度、工况条件等特性了解得非常透彻,但实际上这并不容易。目前电池的各种问题,主要是因为对电池的特性了解得不够,对于电池在¤任一时刻、任一温度环境下,电池的放电能力是多大,能够给整车提供多大的倍率,电池的寿命如何,处于什么的范围区间,这都是电池管理系统需要去做的工作。


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