新能源汽車電池系統的安全性設計策略及其實證研究

何健

摘 要：隨著全球能源危機的日益加劇，汽車尾氣排放以及能源短缺問題也愈發嚴重，汽車動力電池作為新能源汽車的重要組成部分，其安全性對新能源汽車的發展具有至關重要的意義。電池系統是新能源汽車的核心部件，其安全性能不僅關系到新能源汽車的質量及消費者人身安全，更是關系到整個新能源汽車產業的發展。在國家政策及市場需求的雙重驅動下，近年來我國新能源汽車電池系統性能和安全性得到了快速提升。對此，本文將詳細闡述新能源汽車電池系統的安全性設計策略，并進行實證研究，以期能夠為相關設計人員提供一些必要的參考。

關鍵詞：新能源汽車 電池系統 安全性 設計策略 實證研究

1 引言

在新能源汽車動力電池的研發和生產過程中，安全問題始終是一個不能回避的話題。動力電池的安全性是一個系統工程，包括電池材料、結構設計、生產工藝、使用維護等多個方面，其中最重要的是電池系統本身的安全。電池系統本身安全不僅涉及到動力電池內部的材料、結構、制造工藝等方面，還涉及到外部的電磁兼容與消防安全等問題。隨著新能源汽車在中國市場的不斷普及，消費者對動力電池系統的安全性越來越重視。為了有效控制和管理動力電池系統中可能存在的風險，保證車輛在使用過程中不出現意外情況，新能源汽車企業在動力電池系統設計時應重點關注其安全性設計策略。

2 新能源汽車電池系統的特點

2.1 功率密度

目前，新能源汽車使用的三元鋰離子電池，可以達到300 Wh/kg左右，而普通燃油車動力電池系統的功率密度一般在150 Wh/kg左右。同樣的動力電池系統，功率密度越大，汽車的續駛里程就越長。在電池的使用壽命上，傳統燃油車動力電池系統要比新能源汽車動力電池系統短很多。因為傳統燃油車在使用過程中，會出現汽油的揮發、動力電池系統老化等情況，導致動力電池系統的使用壽命也會大大降低。

2.2 使用安全性

動力電池系統在設計之初，就會將其放置在一個密封的箱體內，以保證在極端情況下不會出現安全問題；動力電池系統會配備熱管理系統，通過對熱管理技術的優化，使動力電池系統的溫度可以控制在合理范圍內；動力電池系統還會配備監控系統，實時監控動力電池系統的運行狀態，一旦出現異常情況，比如動力電池系統出現過充電、過放電或其他異常情況時，監控系統會及時預警并進行處理。

2.3 使用便利性

新能源汽車動力電池系統的優勢，不僅體現在續駛里程上，還體現在充電便利性上。目前，新能源汽車動力電池系統的快充能力，一般可以達到0.5～1小時；而傳統燃油車，充電時間則需要1～2小時。在使用便利性上，新能源汽車動力電池系統也有更好的表現。

3 新能源汽車電池系統的安全性設計策略

3.1 材料設計

材料是汽車安全的重要組成部分，對新能源汽車而言，電池系統作為核心部件，其安全性至關重要。為提升電池系統的安全性，在材料設計方面需要考慮到以下幾點：（1）電池包結構設計。結構設計是整個電池系統的核心，對電池系統的性能起到決定性作用。在電池包結構設計中，主要涉及到電芯、模組、電池組、整包和附件等幾個部分，其中電芯是整個電池系統中最為關鍵的零部件。因此在電芯的選擇上，需要考慮到其安全性，確保其具備耐高電壓、高倍率等優點，為了提升動力電池包的安全性，通常會在電芯的設計上使用金屬外殼包裹、金屬隔板隔離等方式進行防護。（2）隔熱材料選擇。對于新能源汽車而言，動力電池包本身就屬于一個十分特殊的結構系統。在電池包內部除了電芯之外還存在著高壓線纜、絕緣墊、隔熱墊以及隔熱層等零部件，這些零部件均屬于高溫環境下工作的器件，因此需要對其材料進行選擇以避免在高溫環境下出現過熱的情況。具體而言，隔熱材料主要包括三種：金屬、非金屬以及復合材料。其中金屬材料中以鋁和不銹鋼最為常見；非金屬材料中主要包括陶瓷、塑料等；復合材料則包括碳纖維和玻璃纖維等。在電池包外部進行隔熱設計時，需要考慮到其隔熱性能和安全性問題。通常情況下新能源汽車電池包外部的隔熱主要分為三種形式：第一種是在電芯之間采用泡沫絕緣墊進行隔離；第二種是采用多層聚苯乙烯泡沫板進行隔離；第三種則是使用非金屬隔熱墊進行隔離。綜合考慮安全性以及成本等因素可以發現非金屬隔熱墊最適合用于新能源汽車電池包外部隔熱設計[1]。

3.2 熱管理設計

電池系統熱管理技術是新能源汽車核心技術之一，其在提升動力電池系統安全性方面發揮著至關重要的作用。目前，新能源汽車的熱管理主要分為冷卻系統和熱管理系統。冷卻系統一般由空調、水泵、水泵電機、壓縮機等組成，主要目的是為電池系統提供一個適宜的溫度環境。為保證電池系統能夠正常工作，需要對其進行有效的溫度控制。當前，針對電池系統溫度控制的研究主要集中于冷卻系統結構和冷卻方式兩個方面。目前，市面上常見的冷卻方式主要有風冷、液冷及相變材料等。其中風冷技術以其成本低、易于實現和維護等優勢被廣泛應用于新能源汽車電池系統中。與傳統冷卻方式相比，風冷技術具有較好的散熱能力，能夠在一定程度上降低電池發熱并延長電池使用壽命。但是由于風冷技術所需冷卻介質為空氣，當新能源汽車處于高速行駛狀態時，易產生氣流擾動導致冷卻效果不佳。相變材料憑借其優異的熱管理性能成為新能源汽車電池系統熱管理技術領域中的熱門研究方向之一。相變材料即在一個物體內部存在溫度梯度變化的一種材料，相變材料在熱傳遞過程中會發生相變現象，并且能夠維持一定的溫度范圍。相變材料由于其本身所具備的熱傳導性能，能夠在較大程度上降低熱量損失并維持穩定的溫度范圍?；谙嘧儾牧蠈囟茸兓牧己庙憫?，人們將其應用于電池系統中以實現良好的熱管理效果。例如，在電池包冷卻系統中引入相變材料后能夠有效降低電池包內的溫度變化速率和熱負荷，從而保證電池包內各單體電池之間具有穩定的溫度梯度[2]。

3.3 熱失控防護設計

鋰離子電池的熱失控是一個復雜的物理和化學過程，當鋰離子電池發生熱失控時，電池內部會釋放大量的熱量，最終導致熱失控。為了避免熱失控對整個電池系統的破壞，可在動力電池系統中采用以下防護措施：（1）針對單個電池，通過設置多個溫度傳感器以及增加內部冷卻液管路的方式，實現對電池組溫度的實時監測；（2）在電池組的底部和側面，設置一個隔熱墊以防止熱量傳遞至電池組內部；（3）在電池組中設置冷卻風扇對電池組進行降溫；（4）在每組電池組的正極連接處安裝一個絕緣墊，并將其置于電池正極連接處，以防止電化學反應產生的熱量傳遞至相鄰的單體電芯。絕緣墊可以起到保護作用，并且在發生熱失控時能夠降低系統內各單體電芯之間的電壓差，從而避免電芯之間短路或燒斷。（5）在每組電池的正極連接處安裝一個限壓閥以防止內部壓力過高引發熱失控。（6）在電池組周圍布置一個接地裝置以減少內部電壓差引起的熱失控。此外，還應采用其他措施來防止熱失控現象的發生[3]。

3.4 安全冗余設計

新能源汽車電池系統的安全冗余設計包括硬件冗余和軟件冗余兩個方面。硬件冗余是指在電池系統的關鍵部件上安裝安全模塊，確保出現系統硬件故障時系統能夠快速切換到其他正常工作模式；軟件冗余是指在電池系統軟件模塊中設計合理的冗余算法，一旦出現故障，則能夠實現快速切換。當電池系統出現安全故障時，需要及時切斷電池包及電機等關鍵部件的供電，以實現對安全隱患的隔離，并在安全故障排除后及時恢復供電，以確保車輛行駛安全。例如，為了提高整車安全性，在動力電池系統中設置了冗余的低壓電器保護電路以及高壓電器保護電路，一旦動力電池發生故障時能夠快速切換到其他正常工作模式，從而確保新能源汽車的安全性。

3.5 高壓安全保護措施

從結構上講，鋰電池系統分為三個部分：正負極、隔膜和電解液，這三部分在制造過程中需要采取高壓絕緣保護措施，防止內部短路。由于動力電池單體電壓高，系統內部空間狹窄，難以對電池單體進行高壓絕緣保護。因此，在動力電池系統中通常采用兩種方法進行高壓安全保護：第一種是使用絕緣外殼對高壓模組進行保護；第二種是采用絕緣隔離裝置對高壓模組進行保護。對于第一種方法來說，該方法能夠有效防止電池單體之間短路的發生，但由于無法保證每一顆電芯都能夠被有效地隔離開來，因此存在一定的安全隱患。而絕緣隔離裝置由絕緣殼體和絕緣隔離電纜組成，能夠有效防止動力電池系統中不同電芯之間短路。此外，為了進一步提高該保護措施的安全性及可靠性，可以在高壓模組上增加絕緣隔離裝置[4]。

3.6 安全監控系統

電池管理系統（BMS）是新能源汽車電池系統安全監控系統的核心， BMS通過監測電池的工作狀態，能夠及時發現并診斷電池的故障，確保電池系統在任何情況下都處于安全運行狀態。目前新能源汽車常用的系統包括電池管理系統（BMS）、熱管理系統和監控系統三大部分。其中，電池管理系統（BMS）主要工作于監測電池工作狀態和監測整車運行狀態。通過實時監測電池的工作狀態和整車運行狀態，及時發現并診斷電池的故障，確保動力電池的安全運行。熱管理系統（BMS）是新能源汽車動力電池的核心部件，其主要功能是對動力電池組進行溫度監控和熱管理。監控系統主要通過采集動力電池組的工作電壓、電流、溫度等信息并對其進行分析和判斷，對動力電池組進行監控。監控系統還可以根據當前的工作狀態自動調整工作模式。電氣安全監測是指通過檢測動力電池組中各部件的電流和電壓，并將其與正常狀態下的電流和電壓進行比較，以判斷動力電池組是否存在異常，是否存在短路或者接觸不良等現象。如果發現異?，F象或存在故障隱患時，則會及時提醒車輛控制單元或整車控制器進行相關處理。振動和沖擊檢測是指通過安裝在動力電池組上的振動和沖擊傳感器檢測動力電池組運行過程中各部件是否產生異常振動和沖擊，以判斷動力電池組是否出現故障或異?，F象。如果發現振動和沖擊傳感器檢測到有振動或沖擊現象時，則會通過相關軟件或硬件控制算法實現對動力電池的保護和報警。除此之外，還可以通過安裝在動力電池組上的加速度傳感器來檢測其是否發生碰撞。如果在車輛行駛過程中發生碰撞事故時，加速度傳感器將會通過采集碰撞事故車輛上各部件的加速度信號來判斷車輛是否存在碰撞事故，從而采取一定的保護措施[5]。

4 新能源汽車電池系統的安全性實證研究

本文以比亞迪海豚車型為例進行實證研究，比亞迪海豚作為一款新能源汽車，采用前麥弗遜式獨立懸架、后多連桿式獨立懸架結構，電池系統搭載了比亞迪自主研發的刀片電池，采用磷酸鐵鋰材料，電池單體容量為33 Ah。比亞迪海豚搭載了比亞迪自主研發的電池管理系統（BMS）。該 BMS由電池管理系統、高壓安全保護系統和熱管理系統三部分組成，分別實現電池溫度監測、過壓保護、過流保護等功能。實驗結果表明，該 BMS能夠有效地降低電池熱失控的風險。

4.1 實驗設計

實驗方法為：在車輛啟動前，對車輛進行預熱，預熱時間為5 min；然后對車輛進行加速行駛，在60 km/h的速度下進行加速操作，在實驗過程中，分別對電池單體電壓、電池溫度、電池組溫度5個指標進行監測。

4.2 實驗結果分析

在實驗過程中，當電池單體溫度高于40℃時，電池系統開始發出報警信號；當電池單體溫度高于60℃時， BMS發出斷電指令；當電池單體溫度超過70℃時， BMS發出過流指令。整個實驗過程中，電池系統均未發生熱失控現象。這表明該 BMS具有過流保護和過壓保護功能，能夠有效地避免動力電池熱失控現象的發生。在實驗過程中，由于外界因素的影響，例如駕駛人突然踩剎車、車輛發生碰撞等情況，導致動力電池單體電壓瞬間下降到很低的水平，此時 BMS開始發出斷電指令。如果沒有斷電指令的及時發出，則有可能導致動力電池單體電壓繼續下降到很低的水平。在這一過程中，由于動力電池單體電壓下降到很低水平后不再繼續下降，所以 BMS不再發出斷電指令。這說明 BMS在一定程度上能夠避免動力電池單體電壓繼續下降到很低水平時發生熱失控現象?；诖?，本文主要得出以下幾點結論：第一，新能源汽車電池系統的安全性設計需要充分考慮其實際使用情況；第二，當前國內新能源汽車電池系統在安全性設計方面還存在一定不足與缺陷，需要相關部門及企業共同努力進行改進與完善；相關部門及企業應充分認識到新能源汽車電池系統安全性設計的重要性以及必要性，從而更好地提升新能源汽車電池系統安全性。

5 結語

總之，新能源汽車的動力電池系統，在能量密度、功率密度、續駛里程、循環壽命和使用安全性等方面與傳統燃油車相比，都有不同程度的提升。在性能指標上，新能源汽車動力電池系統與傳統燃油車動力電池系統相比，優勢非常明顯。然而，由于目前我國新能源汽車動力電池系統技術仍處于起步階段，產業鏈不成熟，市場上也存在一定的亂象。因此，我們還需要進一步關注新能源汽車動力電池系統的發展和市場競爭情況，以便更好地促進我國新能源汽車產業的發展。

參考文獻：

[1]熊紅紅，焦紅星.新能源乘用車用動力電池安全測試分析[J].汽車電器，2023，（12）：18-20.

[2]劉承杰.基于模型的新能源汽車動力電池SOC估算方法的仿真研究[J].汽車科技，2023，（06）：16-20.

[3]劉蘭，郭少杰，王亮亮等.基于專利分析的動力電池系統與結構技術研究[J].汽車文摘，2023，（11）：22-28.

[4]蔡天鏖.新能源汽車動力電池的熱行為及熱管理的優化研究[D].南京郵電大學，2023.

[5]楊建銀.新能源汽車電池管理系統控制策略研究[J].汽車測試報告，2023，（19）：4-6.