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电动汽车热管理和传感器技术制造指南

特普生科技 特普生科技 2023-02-28 12 95
温度传感器（Temperature transducer）是能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。它存在于目前绝大多数的技术内，更是作为安全保障的核心角色。对此，温度传感器研究院对海内外的所有相关最新技术文献等内容进行了探讨、研究与分享。
“在本指南中，我们将深入探讨电动汽车及其电池系统的热管理以及必要的传感器技术。”
只要有发动机驱动的车辆，热管理就一直是一个问题——因为发动机以及周围部件的温度会影响车辆的性能和安全性。在正常的热阈值之外，热管理不善的后果可能像过热一样带来不便，甚至如火灾一样具有破坏性。

电动汽车热管理和传感器技术制造指南

电动汽车热管理正处于一场革命之中
所有品牌和型号的车辆都在从化石燃料转换为电力。 尽管所有交通方式都实现电气化还需要一段时间，但事实未来的交通工具正在这样演变。全电动汽车开始主宰道路，在短短几年内，它们在车中的数量将超过传统汽车。
不久的将来，飞机、轮船和火车也将使用电池技术。与传统的化石燃料驱动的同类产品一样，电动汽车的热管理也很重要，甚至是更为重要。 
除了大规模充电基础设施和范围之外，电动汽车（主要是电池）的热管理是使替代车型可行的主要障碍。弄清楚控制电池和发动机温度的机制，意味着创造能满足消费者期望的车，使其拥有一辆既可以去超市，短途旅行，又可以与朋友进行长途旅行的车。 
现在有了电动汽车，好的热管理系统可确保下一代交通工具仍然可靠和安全，它能够满足正常和长期使用的需求——这在二十年前是不可想象的！
但是，电动汽车技术现在也是脆弱的。因为它需要稳定的温度控制环境才能以最佳性能运行并具有较长的使用寿命。更重要的是，电池热事件会带来驾驶员、乘客、急救人员和汽车制造商从未需要监控或应对的独特安全风险，即热失控。 
对于EV制造商而言，快速、准确和响应迅速的热管理系统是车辆设计的绝对必要条件——从电池组到发动机缸体。
电动汽车热管理和传感器技术制造指南
电池热管理系统如何影响电动汽车电池性能
“作为车辆中最昂贵的部分，监控电动汽车的电池健康状况对于最大限度地提高效率和性能至关重要。”每辆电动汽车的核心都是其锂离子电池组。 如果没有它的动力，电动汽车只不过是其传统车型的美化复制品。 
战略性地集成到 EV 电池组中的传感器技术可帮助用户监控电源，不仅可以衡量他们的车辆可以行驶多远，还可以衡量电池的剩余寿命。智能电池管理系统 (BMS) 可以确保尽管交通拥堵、暴风雪或其他障碍，车辆仍有足够的能量到达目的地。
尽管电动汽车电池热管理系统帮助管理温度和能量流，传感器帮助调节系统本身并提供潜在问题的警报。
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电池热管理系统和传感器智能
“电动汽车电池最大的敌人是什么？”
是“极端温度”！锂离子电池在 15-45℃ 的温度范围内表现最佳。高于该温度的温度会严重损坏电池，而较低的温度会降低电池单元的输出，从而降低续航里程和可用功率。
即使在EV未使用（充电）时，热管理系统也始终致力于监控或维持电池内部温度。虽然最佳舒适区之外的任何温度都会影响 EV 汽车的效率，但车辆具有智能系统，可以将系统保持在自己的舒适区内。一般来说，放电时电池普遍保持在 45℃以下，而在快速充电时，它们的温度略高于该温度，即55℃ 左右，以降低电池的内部阻抗，让电子快速充满电池。
电动汽车热管理和传感器技术制造指南
EV传感器技术可延长、优化电池寿命
遍布电池组的传感器技术是短期和长期维护电池的关键。传感器技术使电动汽车中的热管理系统在记录到舒适区范围之外的温度后立即开始工作。太热或太冷的温度对 EV 电池及其健康状况都有类似的影响。过高的温度会以多种方式影响电动汽车，包括：
1.减少充电容量
2.缩小范围
3.减少充电保持
4.缩短电池寿命。
在 BMS 持续监控进出电池组的电压和电流的同时，它还控制电池组外部的系统以管理温度，例如：制冷剂、冷却剂回路。
为了管理这些系统，BMS 使用电池组冷却板内外的冷却剂、温度传感器以及电池组内部的电池和母线温度。这也扩展到监测外部热交换器的冷却剂温度，以及膨胀阀和制冷剂回路关键点的压力和温度。传感器的这种高水平监控提供了关键数据，以此去控制来自这些系统的精确加热和冷却量，以优化电池组性能，同时最大限度地减少运行泵、压缩机和辅助加热和冷却组件的寄生能量损失。
防止热失控 | 电动汽车的检测和缓解
“虽然很少见，但锂离子电池的热失控可能会导致车辆电池组和车辆本身损坏，并对任何乘员造成严重伤害。”曾经被认为是替代能源汽车大规模进入市场的障碍，热管理——或者更具体地说，防止热失控– 锂离子电池组仍然是电动汽车长期生存能力的关键组成部分。
电动汽车中的热失控是什么样的？
通常由短路、过度充电或其他电池压力源触发，当锂离子电池过热且其电池分解时会发生热失控。多余的热量会引发不受控制的连锁反应，并蔓延到 EV 电池组的其余部分。当失控发生并且电池单元发生故障时，失控会导致释放易燃气体，例如：氢、挥发性碳氢化合物、一氧化碳 。
热失控期间释放的其他有害气体包括：氟化氢、二氧化碳、碳酸二甲酯、乙腈。一旦热失控开始，就很难停止，因为它的连锁反应会通过电池组级联，通常会导致冒烟和起火。
我们通过快速干预，可以限制热失控对电池组和车辆其余部分的影响。虽然电池组中使用的许多材料旨在降低火灾蔓延的风险，但一旦电池排出气体，电池组内就会存在危险情况，就必须要识别出，并进行处理，以防止火灾风险。

电动汽车的热失控预防需要三管齐下的方法：
1. 从一开始就防止失控出
2. 识别电池内是否或何时发生热失控
3. 阻止失控扩散到电池组的其他部分

无论如何，通过两种方法阻止电池热事件发生——主动和被动热管理系统：主动热管理，依赖于将电池组保持在最佳温度的冷却系统。当电池在充电和放电的过程中开始升温时，主动热管理系统会使用空气货带有传统汽车冷却剂货制冷剂的冷却板从电池中提取热量，以降低温度。
被动热管理，系统侧重于防止热失控的后期阶段。被动系统（隔热罩或隔热材料）不是让受热的电池保持凉爽，而是阻止过多的热量从单个的电池传递到电池组其余部分并继续进行连锁反应。
锂离子电池组热失控气体检测
保持 EV 以最佳性能运行需要对其系统进行持续监控。无论 EV 的电池组热管理系统如何，传感器在阻止热失控扩散方面都发挥着关键作用。 
锂离子电池组热管理系统最初依赖于测量热量的传感器——热电池事件的直接、明显的迹象。现在，复杂的传感器技术正在采用一种截然不同且更科学的热管理方法。除了热量，BMS 系统还会释放排气电池的气体，这是热失控的前兆。
碳氢化合物传感器和气压传感器已经过试验来检测热失控，但它们并不是热失控检测的准确或稳健的方法。电池外壳单元内的其他材料会干扰化学传感器的性能，使其读数发生偏差并最终导致设备出现故障。气压传感器容易受到电池组通风系统变化以及车辆海拔和温度变化的影响。
另一方面，使用热导率或红外光谱等技术的基于物理的气体传感器依赖于气体物理学检测热失控并允许在电池热事件开始后进行连续监控。气体传感器使用基于光的导热技术测量 CO 2和氢气——电池在热事件期间排出的第一批气体。与碳氢化合物和压力传感器不同，这些传感器不受其环境的影响，不会随着时间的推移而降低其性能，并且它们的读数仅测量热失控初期释放的气体。这些测量对于向电池控制系统提供尽可能早的警告至关重要，从而降低热事件传播到电池组中其他电池的风险，并提供安全和响应的最佳方案。

用于 EV 热管理的流体传感器
在宏观层面上，EV 电池的热管理超越了温度传感器。在监测电动汽车的电池健康状况时，泄漏检测是绝对必要的车辆是在充电还是在路上。任何形式的泄漏都可能直接影响电池或将其温度保持在合适范围内以获得最佳性能的系统。 

EV 电池组中需要监测的最重要的泄漏：


1、液体冷却剂

冷却剂不是像内燃机那样通过发动机缸体循环，而是在电动汽车的电池组、逆变器、驾驶室，甚至可能是电机周围的闭环中循环，以将温度保持在 15-45°C 的合适范围内。热管理系统允许电池、逆变器和电机正常运行而不会过热和触发功率限制模式或关机。
*检测所需的传感器：
冷却液液位传感器、冷却液泄漏传感器和冷却液温度传感器


2、制冷剂 

虽然所有带有空调系统的电动汽车都使用制冷剂来保持乘客空间凉爽，但一些制造商使用相同的系统来控制电池组温度。使用热泵系统，基于制冷剂的电池冷却有两种形式：
①直接，其中来自车辆空调系统的制冷剂流过电池组内的一系列冷却板。  
②间接，其中车辆的冷却液流过由制冷剂冷却的板。
*检测所需的传感器：
压力传感器、温度传感器、二氧化碳（R744）传感器


3、绝缘油

介电油冷却是一种应用前景广阔的新型电池组热管理系统，具有出色的电池组温度控制。在电池组内部，电池浸没在绝缘油中，绝缘油在整个装置中形成闭环循环。这种油不仅能使电池保持凉爽，还能抑制热事件。
*检测所需的传感器：
油位/质量/介电传感器，油温传感器


4、电解质

在监测电动汽车的电池健康状况时，测量是否存在电解液泄漏有助于确定电池组内的电池是否因老化或其他压力条件而出现故障。这些泄漏通常只会发生在电池外壳内，无法在车辆外部观察到，因此必须使用电池组内的传感器来检测此事件。

*检测所需传感器：

电解液泄漏检测传感器


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