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人的安全永远排在第一 前途汽车电池安全公开课

人的安全永远排在第一 前途汽车电池安全公开课
2019-06-17 13:45:06 EV知道

随着近期发生的多起动力电池事故,公众对于电动汽车电池系统安全的担忧愈发突出。近日,前途汽车的动力电池工厂——华特电动总经理翟晟博士在“前途驿”为大家做了一场题目为“解锁前途汽车电池安全性能”的主题讲座。这里就将讲座中,翟晟博士的主要观点分享给大家。

人的安全永远排在第一 前途汽车电池安全公开课
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翟晟博士讲座的核心内容自然是电池安全,而电池安全的核心则是最大限度保护乘员的安全。而前途汽车为之做了长期、细致的工作,从电芯的选型、模组与总成的设计乃至生产工艺的设定都尽到了最大努力。

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一、电芯的选项与管控

目前,汽车动力电池在封装形式上大体分为软包、硬壳两种,而硬壳又分为圆柱和方形,所以软包一般与圆柱、方形并称。它们凭借各自的特点,都拥有各自的支持者。

国内新能源汽车以软包与方形电池为主,圆柱电池则因为特斯拉的使用而更为大众所知。

说起来,业界一般认为当初在开发Roadster和Model S的时候,特斯拉的唯一选择就是从市场上去购买电池,自行开发电池系统。而当时来说市场上最为成熟稳定的电池就是其选择的松下18650圆柱电池,而当时的软包、方形电池都存在着一定的品控不稳定问题。相较于投入大量的人力物力与电池供应商一起去改善电池的生产工艺,特斯拉认为设计好一套近万节电池的管理系统更容易些。随着自身的这套电池管理系统越用越熟练和大规模采购带来的规模效益,特斯拉近期也基本不会再行转换阵营了。

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而随着国内新能源汽车的极速发展,国内电池制造技术在强大需求的刺激下也得到了巨大发展。特别是在软包电池方面,随着工艺的成熟,单体的能量密度与一致性得到了飞跃式的提升。这种情况下由于软包电池自身的包装材料和结构所拥有一系列优势就逐渐显现了出来。这些优点包括:

1、重量轻。软包电池质量较同等容量的钢壳锂电池轻40%,较铝壳锂电池轻20%,对于提高单体电池能量密度有先天性的优势;

2、内阻小。软包电池的内阻较其他形式锂电池小,可以极大的降低电池的自耗电;

3、循环性能好。理论上软包电池的循环寿命更长,100次循环衰减比铝壳少4%~7%;

4、设计灵活。外形可变任意形状,可根据客户的需求定制适配的电芯型号。

而除了选择安全性更好的封装形式,电池安全中最为重要的一致性问题如何解决?前途汽车将之总结为“视电芯如人”。

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一般来说电池包的生产厂家只需要在供应商在把电芯发来之后,对收到的电芯进行质量管理和检测即可,但华特电动为了尽可能保证电池单体的“一致性”,对供应商电芯生产过程遵循严格的监控机制。生产期间,前途汽车工作人员到卡耐(电芯供应商)驻场监控,严格把关电芯质量。甚至为避免电芯的原材料不同批次间存在细微差异,因此华特对卡耐的上游也提出了要求,卡耐供货的每一批电芯都必须采用同一批原材料。

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由于把控住了源头,再加上华特电动在电芯上料阶段又对每一个电芯进行了线上检测,而在电池成组、焊接、成箱、总成等诸多环节也都设置了多重的检测体系,这样最终生产出的电池标准箱乃至最终的电池总成才具备了相当出色的一致性基础。

二、标准箱的优势

不同于一般的电池模组设计,前途汽车的标准箱从结构和数量上都进行了标准化设计,可根据客户需要进行组配,适用于不同车型,具有高可靠性及耐久性。标准箱采用液态介质冷暖温控系统,可对电池一致性进行调配均衡,以最大限度发挥电池性能、提高寿命。同时标准箱可以满足安全碰撞法规的要求,具有高安全性,达到了IP67防水、防尘等级要求。

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无论是泡棉与柔韧性金属带组构成电芯约束、无螺栓设计、柔性模组悬置组成的粘弹性连接,还是标准箱采用的高强度复合材料壳体,重重努力下,前途的电池标准箱实现了高安全、长寿命、轻量化、低能耗的设计目标。

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三、电池总成设计

标准箱的使用使得前途K50的电池总成不再如同大多数电动汽车的电池总成那样使用铝材等材料制作总成外壳,使得电池布局上更为灵活。最终在前途K50上体系为采用了T型结构的整车RESS可充电能量存储系统。

为了更好的发挥电池性能、提供电池的适应性,K50配备了性能优良的主动液冷式电池热管理系统,保证全温度(-30℃~55℃)范围内正常行车。经过前途汽车进行的环境仓试验及两冬一夏的实车试验,系统温差在8℃以内。其中极寒地区70%的时间电池温度维持在10℃-15℃,极热地区85%的时间电池温度维持在25℃-33℃。有效保证了电池温度一致性,进而延长电池循环寿命。

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据厂家测试,在-30℃环境下,通过PTC加热(俗称半导体加热)可以保证在极端温度下能够正常快/慢充电及运行,并可以提高续驶里程约15%。开启热管理20分钟后,百公里加速性能可以提高约50%。

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而在电池管理方案上,前途K50采用了BMS总控模块与各标准箱的BMS从控模块组成的分布式的两级管理体系。

一般传统的电池管理方案分为分布式、集中式。分布式对电池模块乃至单体上进行独立的数据采集、处理与监控,由整车控制管理单元汇总,可实现对各单体的极精细监控。而集中式则在电池单体上只布置检测单元,所有数据汇总到BMS中心处理单元进行处理并相应控制,可极大节约成本。

而在电动汽车上由于电池的巨大规模,就需要一套即有效率、精度又成本适中的方案来解决问题,但传统模式都已经不大适用,所以一般采用折中方案。这个方案为每个电池模块配置一个BMU(电池模块监控单元),整个BMS则由多个BMU和一个CMU(总控单元)组成。BMU负责对电池模块进行监控,并将数据处理后上传给CMU;CMU汇总数据后,与政策控制管理系统交互协调,对电池总成进行整体的管控。

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前途采用的方案大体相当于更为精细的折中模式,通过全面监控电池状态,可以很好的保障电池性能与安全。同时基于高精度信号采集系统结合本地和云端双重监控以及主动编址/加密系统,实现了对于电芯的严格管理。

四、安全管控逻辑

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前途汽车将电池安全防控总结为五阶段防控法,并据此进行影响安全与寿命的事件防控,采用了主动干预和被动防护的功能。

1、预防阶段:通过预防措施防止异常情况发生,或者减小异常情况发生的概率,例如夏天暴晒可能导致电芯温度过高,我们的电池箱体采用绝热设计,最小化电池与恶劣环境的热交换,有效预防这一现象的产生。

2、积极应对阶段:检测到异常情况的发生,采用措施积极应对,例如夏天暴晒或者充电电流过大导致电芯温度过高,此时BMS启动热管理系统降温,限制充电电流,防止温度继续上升;

3、遏制阶段:检测到严重情况的发生,采用措施遏制情况进一步恶化,例如电芯温度过高,且已采取的应对措施无效时,BMS控制充电机停止充电,主动断开高压回路的继电器,或高压熔断器烧毁来防止事件恶化;

4、局部失效阶段:所有的主动措施都失效,依靠子系统的被动防护防止危险发生,例如电芯温度过高,且已采取的应对措施无效,电芯/模组失效发生时,通过电芯和电池的泄压设计,模组的热扩散设计来进行防护;

5、系统失效阶段:所有的主动措施都失效,依靠整车的被动防护防止危险发生,例如电芯温度过高,且已采取的应对措施无效,RESS系统失效发生,通过标准箱设计,减小失效电池的能量量级,电池包与车体之间的热屏蔽-电池仓设计,车体的安全设计,来保护乘员舱成员的安全。

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对于前途汽车与华特电动在电池安全方面所取得的成果,特别是这种严格到甚至“干涉供应商内政”的全程质量管控方式,中国汽车工程学会名誉理事长付于武称赞为“第一次听说这种管控方式,但是这种管控思想非常系统,我赞同这种做法。”而一再对于近期动力电池安全问题提出批评的中国北方车辆研究所动力电池实验室主任王子冬更是在近期直言“前途汽车是现在中国电动车行业中,电池设计思路最安全的,没有之一。

结语:

汽车是一项庞大的系统工程,是多种需求相互协调、妥协的产物。前途通过标准箱模式建立摸索到了一个在强度安全和成本投入间取得平衡的道路。基于标准箱的特性,无论是产品扩展适配还是未来的回收利用,从产品全寿命费用来看前途的电池模式成本并不会高于常规设计,甚至还略有降低。

其实无论是622、811电池的兴起,还是对于固态电池、石墨烯电池等新技术的过度追捧,其实都无外是各界对于电动汽车性能的追求。但在向更高车辆性能前进的路途上,我们永不不能忘记“人的生命是最宝贵的,应该更多的是考虑人身安全,始终把这一安全放在第一位”。

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