新能源汽車?yán)m(xù)航能力與電池安全管理初探

蔡輝 黃剛 蔡飛

摘要：由于我國(guó)對(duì)清潔能源汽車的大力推廣，人民群眾對(duì)清潔能源汽車的認(rèn)識(shí)和接受程度都有了很大的提高，市場(chǎng)保有量也有了質(zhì)的突破，我國(guó)二零二一年清潔能源汽車市場(chǎng)保有量達(dá)到了七百八十四萬臺(tái)，清潔能源車輛數(shù)量約占全國(guó)機(jī)動(dòng)車總數(shù)的百分之二點(diǎn)六。在中國(guó)新能源汽車行業(yè)近年來得到較快發(fā)展的大背景下，各企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)也逐漸開始放緩甚至?xí)和鹘y(tǒng)燃油汽車的研發(fā)，重點(diǎn)投資新能源汽車技術(shù)。當(dāng)然新能源汽車發(fā)展也面臨著一定弊端，如動(dòng)力電池中的高電流能量密度和低電能有關(guān)技術(shù)，可充電池快速充電技術(shù)等缺乏突破性的創(chuàng)新，且中國(guó)充電設(shè)施（尤其是北方、西方經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)區(qū)域）的布局并不健全，新能源汽車特別是純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程短和充電不方便成為發(fā)展過程中存在的主要制約因素。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;續(xù)航能力;電池;安全管理;

引言

新能源汽車的電池分為壓蓄電池和低壓蓄電池，均為直流電源，目前在新能源純電動(dòng)汽車的生產(chǎn)中，汽車電池的故障出現(xiàn)是較為常見的問題，如果低壓電池出現(xiàn)故障問題，故障會(huì)引起整輛車的控制器故障燈變亮。在這樣的情況下，會(huì)影響汽車的安全出行。因此，在電動(dòng)汽車控制器故障燈變亮后，應(yīng)及時(shí)對(duì)這樣的情況進(jìn)行維修，對(duì)于汽車故障的排除較為重要。

1新能源汽車電池技術(shù)研究背景

新能源汽車的主要?jiǎng)恿碓词请姵?。目前，按電池原理劃分，可分為化學(xué)電池、物理電池及生物電池3種類型。按電池的主要化學(xué)材料可劃分為以下3種：①磷酸鐵鋰電池。這類電池的生產(chǎn)成本較低，使用時(shí)間較長(zhǎng)，目前在售的許多新能源汽車中均使用了該電池，但是該電池的耐低溫性能較弱，受區(qū)域、季節(jié)的影響較大。②三元鋰電池。與磷酸鐵鋰電池相比，這類電池的能量密度較高，電池性能更優(yōu)，但在高溫環(huán)境下該電池經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熱穩(wěn)定性較差的情況，當(dāng)電池溫度達(dá)到200℃以上時(shí)，電解液會(huì)在短時(shí)間內(nèi)燃燒，甚至?xí)霈F(xiàn)爆燃的可能，容易出現(xiàn)安全隱患。③石墨烯電池。這類電池材料的堅(jiān)固性較好，對(duì)使用環(huán)境溫度的要求并不嚴(yán)格，但是該電池的生產(chǎn)成本極高，目前并非所有種類的新能源汽車都能夠使用。總之，隨著我國(guó)新能源汽車電池技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)電池技術(shù)也隨之呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

2新能源汽車?yán)m(xù)航能力影響因素研究

2.1車速

根據(jù)哪吒U車型的研究分析，哪吒U長(zhǎng)續(xù)航版本車型純電動(dòng)行駛里程為四百一十公里，而該車型正常高速行駛后的行駛里程不足三百公里。造成這種巨大差異的最大關(guān)鍵因素是車輛的行駛速度。速度與風(fēng)阻成正比，因?yàn)樗俣仍娇鞎?huì)導(dǎo)致風(fēng)阻大幅度增加，功耗自然就會(huì)增加。然而，燃油汽車在高速行駛時(shí)油耗并沒有出現(xiàn)較大比例的激增，在合理的運(yùn)行條件下比城市油耗有所下降。然而在實(shí)際行駛里程中為什么新能源電動(dòng)汽車高速行駛后耗電量增加這么多？這是因?yàn)樾履茉措妱?dòng)汽車無發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，因?yàn)殡姍C(jī)本身相比發(fā)動(dòng)機(jī)而言效率極高，轉(zhuǎn)速范圍非常寬，通過0到最大電機(jī)額定轉(zhuǎn)速一直保持在90%或者90%以上的全功率工作。而高速行駛時(shí)行駛速度在120km/h行駛增加風(fēng)阻的附加動(dòng)量只能靠發(fā)動(dòng)機(jī)來抵御，所以高速行駛耗電量劇增是純電動(dòng)汽車相對(duì)于燃油汽車的不同點(diǎn)。

2.2溫度

溫度對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力有著極大的影響。首先，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)，駕駛員需要打開車內(nèi)的取暖或制冷相關(guān)電子設(shè)備，這些設(shè)備會(huì)直接消耗純電動(dòng)汽車的電能。此外，也是非常重要的一點(diǎn)，是影響新能源汽車在北方推廣的主要原因之一，冬季溫度較低，鋰電池的實(shí)際放電容量也會(huì)相應(yīng)降低，所以實(shí)際量程也會(huì)減小。有測(cè)試報(bào)告，新能源電池最佳工作溫度是23℃到26℃，假設(shè)我們以24.5℃為基準(zhǔn)，溫度平均氣溫每下降1℃，電池電能的衰減程度將會(huì)超過14%，如果是在北方的零下20℃的環(huán)境工況下，電池的衰減率最高達(dá)到55%左右，造成新能源汽車的續(xù)航能力下降最高50%以上，這也是電動(dòng)汽車在北方受歡迎程度相對(duì)較低的主要原因之一。

3提升新能源汽車?yán)m(xù)航能力的方法

3.1電池檢測(cè)集成模塊設(shè)定

為及時(shí)對(duì)電池電量進(jìn)行均衡管理，控制電池的充放電，設(shè)定了多個(gè)電池檢測(cè)集成模塊。選用CN302SOT-23-6可調(diào)低功耗電池電壓檢測(cè)芯片作為此模塊的核心控制芯片。此芯片可以對(duì)8節(jié)串聯(lián)電池電壓進(jìn)行控制，無需使用耦合設(shè)備。新能源電池組中單體電池較多，故而在本次設(shè)計(jì)中將2片芯片串聯(lián)后安裝到電池檢測(cè)模塊中，根據(jù)芯片串聯(lián)結(jié)果設(shè)定電路管腳。為提升系統(tǒng)的運(yùn)行安全與穩(wěn)定程度，需要對(duì)電池的電壓與控制端進(jìn)行隔離。為此，在電池檢測(cè)模塊與電池組之間安裝數(shù)字隔離器，并增設(shè)隔離電路，保證模塊運(yùn)行狀態(tài)，提升檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

3.2優(yōu)化電池裝配技術(shù)，提高電池生產(chǎn)質(zhì)量

工位輸送是整條生產(chǎn)線的重要組成部分，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)直接影響電池包裝配的可行性、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍。針對(duì)工位輸送的精準(zhǔn)性及靈活性要求，本文設(shè)計(jì)生產(chǎn)線的多工位輸送是借助積放式輥道來實(shí)現(xiàn)的。如模組線輥道，該輥道安裝有讀寫頭、檢測(cè)開關(guān)、止回裝置和擋料裝置等，該輥道工作臺(tái)具有占地面積小，伸縮靈活且可靈活改變輸送方向的優(yōu)點(diǎn)。而且，輸送物料時(shí)可依據(jù)裝配時(shí)各工位之間的需求，調(diào)節(jié)輥道的機(jī)械支柱高度，故該輥道適用范圍較大，可滿足電池裝配各工位要求。此外，為保證裝配的可靠性，輥道上還具有抬起舉升裝置滿足定位功能，同時(shí)配備檢測(cè)開關(guān)、讀寫頭等滿足為托盤準(zhǔn)確性和信息傳遞功能，保證裝配進(jìn)行某一工序時(shí)電池包機(jī)械和電氣位置準(zhǔn)確。

3.3新能源汽車電池安全管理

正極。在現(xiàn)階段新能源汽車鋰動(dòng)力電池進(jìn)行材料選擇過程中，需盡量選擇錳酸鋰、磷酸鐵鋰、高壓鋰鎳錳尖晶石和三元材料等含富鋰錳的基層狀材料，三元電池由于高性能、低成本的顯著優(yōu)勢(shì)，依然成為當(dāng)下新能源電池的首選。但相比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，由于我國(guó)起步較晚，而且材料科學(xué)相對(duì)國(guó)外還有一定的差距，因此這類材料的技術(shù)應(yīng)用在我國(guó)相對(duì)局限。但是隨著這幾年我國(guó)新能源領(lǐng)域的發(fā)展，在工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi)已經(jīng)積累了相對(duì)領(lǐng)先的工業(yè)技術(shù)。（2）負(fù)極。新能源鋰動(dòng)力電池負(fù)極材料主要包括石墨、硬（軟）碳、鋰和鈦酸鹽合金負(fù)極材料，通過當(dāng)前實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)石墨負(fù)極材料類的充電性能較差，鈦酸鋰類因?yàn)槠浔热萘康偷男阅?，在使用過程中會(huì)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的安全性能發(fā)揮有較大的利好影響。除了采用石墨烯改性石墨納米技術(shù)，使用最低容量和充放電庫侖效率低，電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性最強(qiáng)的新型納米材料。

結(jié)束語

隨著新能源汽車的增加，新能源汽車在國(guó)內(nèi)的認(rèn)可度逐漸提升，提升新能源汽車的續(xù)航能力應(yīng)該從增加新能源汽車的動(dòng)力電池的能量密度，降低噸百公里的功耗，從而實(shí)現(xiàn)提高續(xù)航能力的革新發(fā)展。續(xù)航能力的提升還需要通過使用新型材料、使用新型技術(shù)提升鋰電池在低溫時(shí)的儲(chǔ)電能力，杜絕因?yàn)榈蜏貑栴}導(dǎo)致電能大幅度降低、續(xù)航能力腰斬的問題。因此，未來新能源汽車的核心應(yīng)該是動(dòng)力電池能量密度增加、高效能量回收技術(shù)降低等方面將成為新的研究重點(diǎn)，同時(shí)，從傳統(tǒng)燃料汽車變速器輕量化技術(shù)等方面入手，降低車輛的能耗。

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