安全環(huán)保車用電池包系統(tǒng)研究

尹華軍

摘? 要：本文講述了解決電動(dòng)汽車電池包的安全防護(hù)和電池包內(nèi)氣體的問(wèn)題。系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器對(duì)電池包內(nèi)部壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而判定電池包的密封度。排出的氣體通過(guò)凈化裝置過(guò)濾，減少對(duì)環(huán)境的污染。

關(guān)鍵詞：電池包;安全電池包;環(huán)保電池包;真空電池包

中圖分類號(hào)：U469.72? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0013-05

Abstract： This paper describes the safety protection of electric vehicle battery pack and the problem of gas in battery pack. The system monitors the internal pressure of the battery pack in real time through the vacuum pressure sensor to determine the seal of the battery pack. The discharged gas is filtered through the purifying device to reduce pollution to the environment.

Key Words： battery pack; safety battery pack; environmental protection battery pack; vacuum battery pack

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們物質(zhì)文化生活水平的提高，人們對(duì)電池的需求量越來(lái)越大，對(duì)電池的性能要求也越來(lái)越高。目前運(yùn)用到電動(dòng)汽車上的儲(chǔ)能電池主要為鎳氫電池和鋰離子電池，車用電池包總成大多采用風(fēng)冷、水冷和自然冷卻等方式，在殼體密封防水防塵等級(jí)上做得不是很理想，風(fēng)冷的電池包基本不具備防水功能，防護(hù)等級(jí)也不會(huì)超過(guò)IP41，水冷和自然冷卻的基本在IP65以下，對(duì)于大雨天涉水運(yùn)行仍然不可能，長(zhǎng)期浸泡后絕緣等級(jí)達(dá)不到要求，電池內(nèi)部短路至漏電燃燒等，影響人身安全和財(cái)產(chǎn)安全;由于過(guò)充過(guò)放、電池老化所產(chǎn)生的氣體在電池包內(nèi)聚集，車輛發(fā)生碰撞或電池發(fā)生短路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生爆炸或爆燃;大多數(shù)類型電池在過(guò)充過(guò)放時(shí)或者短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生甲烷、乙炔、氧氣、氟化氫（HF）等氣體，揮發(fā)到大氣中對(duì)生物和環(huán)境造成污染。大量的電動(dòng)汽車涌入市場(chǎng)，每臺(tái)電池包排放的有毒氣體雖然很少，但是電動(dòng)汽車?yán)塾?jì)成多，最終會(huì)對(duì)環(huán)境和大氣造成污染和傷害。

本文講述了解決電動(dòng)汽車電池包的安全防護(hù)和電池包內(nèi)氣體的問(wèn)題。

1? ? 電池包絕緣和排出氣體的危害分析

純電動(dòng)汽車電壓和電流等級(jí)都比較高，動(dòng)力系統(tǒng)電壓一般都在B級(jí)電路范疇[1]。電池包進(jìn)水會(huì)導(dǎo)致絕緣下降，會(huì)出現(xiàn)漏電、短路等風(fēng)險(xiǎn)。所以電氣傷害對(duì)人體和車輛自身的傷害是不容忽視的，威懾到生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，在電動(dòng)汽車的開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)特別考慮電氣系統(tǒng)絕緣問(wèn)題，嚴(yán)格按照電動(dòng)汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)，確保絕緣電阻能夠滿足人身安全需求。對(duì)于B級(jí)電壓電路的電動(dòng)汽車應(yīng)滿足：

直流電路保證絕緣電阻值不低于100Ω/V，

交流電路保證絕緣電阻值應(yīng)大于500Ω/V。

大多數(shù)類型電池在過(guò)充過(guò)放時(shí)或者短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生甲烷、乙炔、氧氣、HF、氫等氣體，其中HF是一種一元弱酸，吸入后溶水對(duì)人體有害。甲烷、乙炔、氫氣都是可燃?xì)怏w，氧氣是助燃劑，當(dāng)封閉的空間內(nèi)這些混合氣體的比例在達(dá)到一定條件時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸從而引起整個(gè)車輛的劇烈爆炸或燃燒。

可見，電池包的密封及排出氣體的處理，是一項(xiàng)非常重要的研究?jī)?nèi)容。

2? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ?系統(tǒng)分析

大多數(shù)電池包由箱體、電池模組、連接電纜控制模塊、接插件及透氣閥等組成。電芯在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生微量氣體，過(guò)充或過(guò)放時(shí)會(huì)加劇。電池包密封等級(jí)要求苛刻，密封成本較高，雖然在做檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP67標(biāo)準(zhǔn)，但是不能保證日積月累、四季交換長(zhǎng)期的硬件疲勞帶來(lái)的防護(hù)等級(jí)下降的可能。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是整車系統(tǒng)不能對(duì)電池包內(nèi)空間密封性做出判斷，沒有檢測(cè)系統(tǒng)，只能通過(guò)高壓系統(tǒng)絕緣等級(jí)下降后才能檢測(cè)出來(lái)。

大多數(shù)電池在過(guò)充過(guò)放時(shí)或者短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生甲烷、乙炔、氧氣、氟化氫等氣體。其中危害最大的要數(shù)氟化氫氣體（HF），處理氟化氫的方法有壓縮冷凝法、吸收法、吸附法和膜分離等方法[2]。適合用于電動(dòng)汽車上可以利用吸收法、吸附法和膜分離法技術(shù)對(duì)電池內(nèi)排出的氣體進(jìn)行過(guò)濾。

密封的電池包通過(guò)導(dǎo)管與真空泵系統(tǒng)連接，使電池包體內(nèi)的氣體由真空泵系統(tǒng)吸出，從而保證電池包的內(nèi)部壓力一直處于一個(gè)合適的真空壓力值（參考電動(dòng)氣泵的工作壓力值）狀態(tài)，水分在真空狀態(tài)下，沸點(diǎn)會(huì)降低;真空度越高，水的沸點(diǎn)越低，當(dāng)水分汽化之后，從電動(dòng)氣泵中排出，也起到一個(gè)很好的干燥作用，系統(tǒng)的絕緣得到保障，電池箱老化有細(xì)微浸水以后也可以將水分很快蒸發(fā)出來(lái);用導(dǎo)管連通密封的電池包和真空泵系統(tǒng)，使電池包和真空泵系統(tǒng)完全隔離開來(lái)，并保持與電池包體內(nèi)完全貫通。

增加電池包內(nèi)部壓力檢測(cè)系統(tǒng)，電池包可以做成全密封結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，可長(zhǎng)期浸泡在水里，系統(tǒng)根據(jù)壓力值來(lái)判斷可以隨時(shí)檢測(cè)電池包內(nèi)部的密封程度。凈化裝置可以對(duì)排出氣體進(jìn)行過(guò)濾。

通過(guò)電芯廠家提供的承壓值設(shè)定系統(tǒng)的保持壓力。車輛進(jìn)入不同海拔時(shí)電池包內(nèi)壓力具有調(diào)節(jié)功能。當(dāng)內(nèi)部壓力保持后，在車輛進(jìn)出不同大氣壓下，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，避免海拔的增高對(duì)電芯產(chǎn)生傷害。

在控制器策略內(nèi)設(shè)置環(huán)境大氣壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓或海拔更低時(shí)

則：P包外/P包內(nèi)=1/0.8

在海拔超過(guò)3000米時(shí)也可以

則：P包外/P包內(nèi)=1/1.2

控制器隨著海拔高度的變化而自動(dòng)調(diào)整，壓力比值根據(jù)上述條件進(jìn)行變化，使電池工作在一個(gè)較舒適的工作壓力范圍內(nèi)。控制器通過(guò)每次關(guān)閉點(diǎn)火鑰匙和開啟點(diǎn)火鑰匙的時(shí)長(zhǎng)來(lái)判斷，根據(jù)壓力傳感器來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的壓力值變化，兼顧電池包的實(shí)時(shí)工況來(lái)判斷電池包的密封度。

2.2? ? 系統(tǒng)驗(yàn)證

根據(jù)《GB/T 31467.3-2015 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第三部分：安全性要求與測(cè)試方法》中7.12項(xiàng)高海拔要求進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試[3]，對(duì)電池包及系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境大氣壓下對(duì)比電池包內(nèi)部的負(fù)壓測(cè)試，進(jìn)行電池包內(nèi)的電芯及控制器元件的驗(yàn)證。根據(jù)如下公式[4]：

當(dāng)海拔為4000米時(shí)，大氣壓力為57.57kpa，則P包內(nèi)壓力為46.056kpa，相當(dāng)于5400km海拔。

某項(xiàng)目電池包做高海拔試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該產(chǎn)品在高海拔大氣壓力下的放電情況，試驗(yàn)設(shè)備需要圖1 高海拔試驗(yàn)設(shè)備和圖2 充放電試驗(yàn)設(shè)備，將電池包放入高海拔設(shè)備內(nèi)如圖3所示進(jìn)行超高海拔試驗(yàn)，如圖4所示，電池包通過(guò)30kpa的壓力，相當(dāng)于海拔8100km的高度儲(chǔ)存5小時(shí)，然后對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行1C（不超過(guò)400A）恒流放電至放電截止條件，觀察2h系統(tǒng)正常運(yùn)作未發(fā)現(xiàn)異常。如圖5是電池包在正常壓力97.8kpa下和30kpa泄壓后的放電曲線，由于鋰離子電池?zé)崾Э匾坏┌l(fā)生，很難終止其反應(yīng)，為了安全期間，不損害設(shè)備的前提下做了30kpa保持5小時(shí)后，泄壓至正常壓力后做的放電曲線，可見排除誤差后兩次放電曲線差異不大。

2.3? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)某一項(xiàng)目方案[5]如圖6所示，電池包內(nèi)的氣體通過(guò)電磁閥經(jīng)過(guò)箱體過(guò)氣孔，在經(jīng)過(guò)抽氣泵經(jīng)過(guò)凈化裝置排出。電磁閥和抽氣泵可以布置在電池包的外部或者內(nèi)部，凈化裝置則必須安置在電池包外部可方便拆卸的部位，屬于保養(yǎng)期需檢查的一個(gè)零部件，到期需更換。除此之外系統(tǒng)對(duì)下面核心部件有一些特殊要求。

2.3.1 電磁閥

電磁閥為常閉式電磁閥，通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開;斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉;防護(hù)等級(jí)IP68，耐壓不低于0.5兆帕;介質(zhì)特性為氣體可以雙向流動(dòng)，閥體材料應(yīng)具有防腐蝕性。

2.3.2 電動(dòng)氣泵

電動(dòng)氣泵選擇體積小，高性能的抽、打氣泵。噪音低于30dB。壽命長(zhǎng)，無(wú)油介質(zhì)環(huán)保無(wú)污染。采用金屬平衡塊，產(chǎn)品平衡性能好，振動(dòng)小。使用壽命長(zhǎng)，免維護(hù)，氣密性好。

特殊要求，電磁閥打開，打氣泵不工作時(shí)，負(fù)壓的電池包能給吸入外界的空氣，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整包內(nèi)與外界的壓力值。

2.3.3 凈化裝置

凈化裝置（如圖7 示意圖）布置在更換便捷的位置方便保養(yǎng)，出氣口具備防水滲入的功能，氣體可以排出但液體在水深小于1米不能夠進(jìn)入（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）。

2.3.4 控制器

控制器可集成于整車控制器VCU或BMS內(nèi)，也可以單獨(dú)作為一個(gè)控制模塊提供信息給整車系統(tǒng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示：

3? ? 系統(tǒng)工作原理

通過(guò)壓力傳感器感知電池包內(nèi)的壓力，當(dāng)壓力與設(shè)置值不符合時(shí)控制器控制抽氣泵工作，將系統(tǒng)內(nèi)的氣壓保持在合理值（這個(gè)壓力值由電池單體廠家提供，不損壞電芯）。當(dāng)車輛靜止24小時(shí)后真空度有所下降，則證明電池包體有泄漏現(xiàn)象，發(fā)出信號(hào)要求維護(hù)人員進(jìn)行檢修。車輛在工作時(shí)，如大電流充放電，電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生少部分氣體，使系統(tǒng)壓力升高，此時(shí)真空泵開始工作將多余氣體排出至規(guī)定壓力值，并將信息傳遞給整車系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)電芯企業(yè)提供的壓力范圍值進(jìn)行調(diào)整，此壓力值為企業(yè)提供，對(duì)電芯沒有負(fù)面影響。

系統(tǒng)根據(jù)S來(lái)計(jì)算抽氣的基礎(chǔ)時(shí)間，超過(guò)設(shè)定時(shí)間范圍后真空泵延后工作60秒后停止工作，并提示電池箱體泄露。K為一固定值，系統(tǒng)根據(jù)P的變化來(lái)調(diào)節(jié)P2的壓力值。

4? ? 電氣原理及控制

如圖9所示，F(xiàn)1-4為熔斷器，K為繼電器，S為電磁閥，M為真空泵電機(jī)，P為壓力傳感器，當(dāng)點(diǎn)火鑰匙接通后，系統(tǒng)開始工作，P提供系統(tǒng)內(nèi)的壓力信息給控制器，控制器控制S電磁閥和K繼電器，使M真空泵工作。

4? ? 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)汽車電池組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能需求進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了基于密封環(huán)保的車用電池包系統(tǒng)，具有電池包真空壓力密封監(jiān)測(cè)、有毒氣體過(guò)濾等功能。

另外，水分在低于環(huán)境氣壓下蒸發(fā)加快，有效的保證了電池包內(nèi)的干燥度，提高絕緣等級(jí)。在控制上對(duì)大氣壓力的變化進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)，此系統(tǒng)適應(yīng)的車型廣泛。

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