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新能源车热管理系统:它在电动汽车中的重要性

特普生科技 特普生科技 2023-03-01 12 609
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。

即将到来的电能时代正在将车辆的储能系统从化石燃料转变为电化学储能系统,这将推进车载动力系统从发动机转变为电动机。

新能源车热管理系统:它在电动汽车中的重要性

储能和动力系统的变革正在推动汽车行业的一场革命,即研发总成系统更加电气化的新能源汽车。与其他可充电电池类型相比,锂离子 (Li-ion) 电池具有更高的能量密度、更轻的重量、无记忆效应和更低的自放电率,已成为近年来最有前途的储能技术。这些特性使它们在电动汽车 (EV)、混合动力电动汽车 (HEV) 和插电式混合动力电动汽车 (PHEV) 中的应用备受瞩目。

特斯拉 Model S 、日产聆风 EV、宝马 i3、现代 Kona Electric 等品牌以及印度市场的电动汽车在全球市场的持续商业化,许多知名企业进入电动汽车领域,例如 TATA 和老派 NEXON EV Mahindra REVAATHER、 OLA Electric 、SIMPLE、Hero等两轮车领域进一步推动了锂离子电池技术的快速发展,并引发了公众对其未来的广泛期待。

目前,对锂离子电池的研究大多集中在材料方面,以提高比能量、功率和循环寿命,而对热相关问题的关注相对较少。 甚至品牌也使用续航,快速充电等术语,这些术语通常会引起客户的注意。最终消费者正在慢慢接受 2 轮车的续航里程能力,但在 4 轮车领域查看 BEV 时仍然存在续航里程焦虑。为了延长电动汽车或SUV的总续航里程,则应该提高单位为Wh·L−1的体积能量密度。同样,电动公交车重量能量密度也有待提高续航里程。

然而,具有较高能量密度的材料可能具有较低的热稳定性,从而导致安全问题,例如热失控(TR)。TR和TR诱发的冒烟、起火甚至爆炸是锂离子电池事故中最常见的特征。烟雾、火灾、爆炸是引起公众关注的严重安全问题。对事故的恐惧阻碍了市场对电动汽车的全面接受,因此许多国家要求锂离子电池通过强制性测试标准,例如在其应用于 EV 之前的UN 38.3、UN R100、SAE-J2464、IEC-62133、GB/T 31485等。


事故中的滥用情况和电动汽车的内部短路


在考虑因热失控 (TR) 引起的事故时,可能有两种可能性:一种是自致故障,另一种是实际使用中的滥用情况。从概率上看,锂离子电池的自感失效是存在的,但程度很低。如图所示分类


新能源车热管理系统:它在电动汽车中的重要性


内部短路 (ISC)是热失控 (TR) 最常见的特征几乎所有的热失控都伴随着 ISC。根据分离器的失效机制,考虑到上述情况,热失控可分为三类。通过自放电率和外来热的产生来评估ISC的危险程度z,如表所示,ISC可以分为三个级别。

为提升锂离子电池的热性能,降低电池的发热量和提高散热速率是两个可行的方案:

l从内部看,电池芯中的电极在充电/放电过程中产生大部分热量,因此,电极的优化设计对于最大程度地减少电池中的热量产生至关重要。这包括考虑多种因素,例如电池的形状(无论是棱柱形、圆柱形还是袋状)、电极的热物理特性、电池级别的热和电流分布、发生的电化学反应。

从外部看,在电池组中实施的热管理系统 (TMS) 有助于缓解快速升温,并提高锂离子电池在充放电过程中的稳定性和安全性。该 TMS 可以在模块级别实施。


电动汽车热管理系统


TMS一般用于高放电率下工作的电池,尤其是需要长寿命周期(>10年)且更换成本高的大型电池组。例如,由于电池维修成本高、每个 SE 的车辆成本高以及汽车更换率相对较低,所有 HEV、PHEV 和 EV 都必须配备热管理系统 (TMS)。近年来,全球各个研究小组已经尝试和测试了几种可以轻松从电池组中移除热量的技术。如所见,它们可以以多种方式分类。

TMS 权衡分析中传统上考虑的因素包括能源效率、资本成本、操作便利性、维护要求和可靠性。不建议将冷板和热电设备用于商业系统,因为它们分别具有高热阻和低性能系数。

然而,Gentherm Incorporation 在其商业设计中采用了热电设备,而冷板则用于GMC Volt和特斯拉 Model S 电池组,这表明这两种技术近来都有显着改进。温度范围和温度变化是影响电池组性能的两个关键参数。环境温度可能在 -35 到 +50 度之间变化。不同地区、气候和季节的摄氏温度,而电池所需的温度范围约为+15 ~ +35 摄氏度。 

此外,电池的不一致性和热边界条件会导致电池组中电池之间的温差。这些主要问题需要精心设计的电池热管理系统 (BTMS)。传统的热管理系统,如风扇和冷却板,要么具有低可扩展性,要么在具有挑战性的条件下提供边际性能(根据冷却水平和再生率的组合估计)。其他有趣的替代方案(如热声、磁等)也可用,但它们尚未达到完全的技术成熟度。  

因此,可以得出结论,一个强大的模块化热管理系统 (TMS) 将是一个混合系统,通过联合至少两个不同的 TMS 来设计。考虑到技术风险、易于集成、成本和能源效率等因素,可以推断 PCM 将成为模块化 TMS 组件的组成部分。


电动汽车电池热失控


新能源车热管理系统:它在电动汽车中的重要性

当电池内部产生的热量超过散发到周围环境的热量时,热失控就开始了。是什么导致电池过热导致热失控?——环境温度、电池时代、浮充电压、过度充电。

最小化热失控的方法

热失控的减少可以在三个层面上实现,第一:通过材料改性提高抗TR性能的本质安全性;第二:针对实际滥用情况设置被动防御,开发TR前预警算法;第三:延缓或抑制热跑道传播等次生危险,为事故发生后乘客从电动车上逃生赢得足够的时间。

我们相信三级安全设计的概念可以显着帮助减少事故中的热跑道危害。研究人员应充分了解三级安全设计理念,为即将到来的更高能量密度锂离子电池时代做好准备。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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