锂离子电池包电池防护与高压安全技术综述

(整期优先)网络出版时间:2020-09-27
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锂离子电池包电池防护与高压安全技术综述

秦 帅

郑州大学 机械与动力工程学院,河南 郑州 450001

摘 要:锂离子电池具有输出功率大、充电效率高、残留容量测试方便等优点,得到了商家与消费者的青睐。反之,由于其锂离子正负极材料的化学特性,在过充或过放时会发生容量损失,着火,报废等危害,所以,实际应用中的电池安全防护技术应该得到关注。

关键词:锂离子电池;热失效;电池管理系统;安全防护技术

0 引言

本文研究的车型为某款纯电动物流车,研究的电池类型为三元锂电池包,本文围绕此车型与此电池包,对电池包安防护措施进行探究。

1研究电动汽车电池安全防护措施的目的与意义

锂离子电池在使用中,过充和过放行为均会导致锂离子电池内部的微观结构发生改变而造成容量损失,严重时会起火,爆炸。

2锂离子电池简介

2.1锂离子电池的工作原理

电池充电过程中,正极材料中的Li+从正极中脱离出来,先进入电解液,穿过隔膜后,嵌入到负极当中。放电过程中,锂离子又从负极中脱离,经过电解液又穿过隔膜后回到正极里。

2.2锂离子电池失效情况

2.2.1高温失效

在过高的温度下,会引发电池内部一些其他元素的化学反应,生成对电池有危害的化合物,同时伴随一些副反应,这些副反应会导致电池热失控。

2.2.2过充电失效

在过充电的情况下,锂离子移动至负极后,与负极上的碳发生电化学反应,形成“碳化锂”,这回破坏负极的结构,还会析出金属锂,刺穿隔板,发生短路,导致电池失效。

2.2.3低温充电失效

在低温情况下,电解液粘度较大,锂离子在正负极间移动难度加大,充电时易在负极生成锂。析出的锂会刺穿隔膜,造成电池内部短路,影响电池的寿命,严重的会引发爆炸。

2.2.4过放电失效

过放电行为会使电池正负极的活性物质发生不可逆的破坏,如此会造成严重的容量损失,降低循环寿命,更甚者电池会直接报废。

3电池管理系统

电池管理系统是对电池进行检测和高压电能输送管理的综合系统。可以对电池进行实时的监控和控制,为整车提供即时的电池信息。

3.1电池管理系统组成

电池管理系统的组成是由电池控制单元(BCU)和电池检测单元(BMU)组成。

BMU负责检测单体电池的电压、温度与对平衡控制的功能。

BCU负责对BMU检测的数据进行实时处理,匹配硬件完成信号采集与解析,同时完成系统数据处理、控制功能、安全监管等应用。

3.2电池管理系统的功能

3.2.1电荷状态(SOH)估算

估算电池组实时的电荷状态,通过相关算法结合当前电压、温度、放电倍率等因素计算出准确的SOC值,为保证车辆正常行驶提供基础。

3.2.2数据采集与实时监测

在电池充放电过程中,时刻监测电池组中的所有单体电池的电压、温度、电池包的放电电流、总电压。

3.2.3故障诊断

若电池出现,过充,过放,高温,压差过大,电流过大,电压过高,电压过低,绝缘阻值过低,继电器故障,会及时执行处理方案,并与整车控制器进行通讯。

3.2.4绝缘阻值检测

绝缘电阻的定义为:如果动力蓄电池与底盘之间的某一点短路,最大泄露电流所对应的电阻。电动汽车中,规定直流电路中正负端对电底盘的绝缘电阻必须大于100Ω/V。当系统检测到绝缘电阻低于设定阈值时,自动切断高压电路。

4电加热系统

电加热功能就是为了解决锂离子电池低温无法充电的难题,在每个电池组外缘均匀地加上加热板,通过纯加热,边加热边充电,纯充电等三个模式,来满足锂离子电池低温条件的充电需求。

4.1控制策略:

(1)当BMS检测到电池包最低温度小于0℃时,BMS吸合负极继电器和加热继电器,进入纯加热模式。

(2)当BMS检测到最低温度加热到5℃时,BMS吸合充电继电器同时维持加热继电器吸合状态,进入边加热边充电模式。

(3)BMS检测到电池包最低温度大于10℃,此时断开加热继电器进入纯充电模式。

5 结论

在本文中,从锂离子电池单体失效原因出发,到电池包的电池管理系统防护,对电池的安全保护技术做了综述,具体的内容与结论如下:

1.第一部分介绍了电池单体在不同情况下失效的原因。

2.第二部分围绕电池管理系统展开,详细说明了电池管理系统的功能与特点,展现了对电池模组的安全防护技术。

3.第三部分主要是描述电加热系统,通过三种模式相互转换,保证电池包在低温环境的充电安全。

以上几个方面均是电池包以及高压系统的安全保护技术,电动汽车的安全防护路还有很长,我们任重道远。

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