安全環保車用電池包系統研究

尹華軍

摘? 要：本文講述了解決電動汽車電池包的安全防護和電池包內氣體的問題。系統通過壓力傳感器對電池包內部壓力進行實時監控，從而判定電池包的密封度。排出的氣體通過凈化裝置過濾，減少對環境的污染。

關鍵詞：電池包;安全電池包;環保電池包;真空電池包

中圖分類號：U469.72? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：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

隨著科學技術的發展以及人們物質文化生活水平的提高，人們對電池的需求量越來越大，對電池的性能要求也越來越高。目前運用到電動汽車上的儲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冷、水冷和自然冷卻等方式，在殼體密封防水防塵等級上做得不是很理想，風冷的電池包基本不具備防水功能，防護等級也不會超過IP41，水冷和自然冷卻的基本在IP65以下，對于大雨天涉水運行仍然不可能，長期浸泡后絕緣等級達不到要求，電池內部短路至漏電燃燒等，影響人身安全和財產安全;由于過充過放、電池老化所產生的氣體在電池包內聚集，車輛發生碰撞或電池發生短路時，會產生爆炸或爆燃;大多數類型電池在過充過放時或者短路時會產生甲烷、乙炔、氧氣、氟化氫（HF）等氣體，揮發到大氣中對生物和環境造成污染。大量的電動汽車涌入市場，每臺電池包排放的有毒氣體雖然很少，但是電動汽車累計成多，最終會對環境和大氣造成污染和傷害。

本文講述了解決電動汽車電池包的安全防護和電池包內氣體的問題。

1? ? 電池包絕緣和排出氣體的危害分析

純電動汽車電壓和電流等級都比較高，動力系統電壓一般都在B級電路范疇[1]。電池包進水會導致絕緣下降，會出現漏電、短路等風險。所以電氣傷害對人體和車輛自身的傷害是不容忽視的，威懾到生命和財產安全。因此，在電動汽車的開發過程中，應特別考慮電氣系統絕緣問題，嚴格按照電動汽車相關標準要求設計，確保絕緣電阻能夠滿足人身安全需求。對于B級電壓電路的電動汽車應滿足：

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大于500Ω/V。

大多數類型電池在過充過放時或者短路時會產生甲烷、乙炔、氧氣、HF、氫等氣體，其中HF是一種一元弱酸，吸入后溶水對人體有害。甲烷、乙炔、氫氣都是可燃氣體，氧氣是助燃劑，當封閉的空間內這些混合氣體的比例在達到一定條件時會發生爆炸從而引起整個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，是一項非常重要的研究內容。

2? ? 系統設計

2.1? ?系統分析

大多數電池包由箱體、電池模組、連接電纜控制模塊、接插件及透氣閥等組成。電芯在工作時會產生微量氣體，過充或過放時會加劇。電池包密封等級要求苛刻，密封成本較高，雖然在做檢測試驗時防護等級可以達到IP67標準，但是不能保證日積月累、四季交換長期的硬件疲勞帶來的防護等級下降的可能。簡單地說就是整車系統不能對電池包內空間密封性做出判斷，沒有檢測系統，只能通過高壓系統絕緣等級下降后才能檢測出來。

大多數電池在過充過放時或者短路時會產生甲烷、乙炔、氧氣、氟化氫等氣體。其中危害最大的要數氟化氫氣體（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]。適合用于電動汽車上可以利用吸收法、吸附法和膜分離法技術對電池內排出的氣體進行過濾。

密封的電池包通過導管與真空泵系統連接，使電池包體內的氣體由真空泵系統吸出，從而保證電池包的內部壓力一直處于一個合適的真空壓力值（參考電動氣泵的工作壓力值）狀態，水分在真空狀態下，沸點會降低;真空度越高，水的沸點越低，當水分汽化之后，從電動氣泵中排出，也起到一個很好的干燥作用，系統的絕緣得到保障，電池箱老化有細微浸水以后也可以將水分很快蒸發出來;用導管連通密封的電池包和真空泵系統，使電池包和真空泵系統完全隔離開來，并保持與電池包體內完全貫通。

增加電池包內部壓力檢測系統，電池包可以做成全密封結構，防護等級達到IP67，可長期浸泡在水里，系統根據壓力值來判斷可以隨時檢測電池包內部的密封程度。凈化裝置可以對排出氣體進行過濾。

通過電芯廠家提供的承壓值設定系統的保持壓力。車輛進入不同海拔時電池包內壓力具有調節功能。當內部壓力保持后，在車輛進出不同大氣壓下，自動調節系統壓力，避免海拔的增高對電芯產生傷害。

在控制器策略內設置環境大氣壓為1個標準大氣壓或海拔更低時

則：P包外/P包內=1/0.8

在海拔超過3000米時也可以

則：P包外/P包內=1/1.2

控制器隨著海拔高度的變化而自動調整，壓力比值根據上述條件進行變化，使電池工作在一個較舒適的工作壓力范圍內?？刂破魍ㄟ^每次關閉點火鑰匙和開啟點火鑰匙的時長來判斷，根據壓力傳感器來檢測系統的壓力值變化，兼顧電池包的實時工況來判斷電池包的密封度。

2.2? ? 系統驗證

根據《GB/T 31467.3-2015 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第三部分：安全性要求與測試方法》中7.12項高海拔要求進行驗證測試[3]，對電池包及系統進行環境大氣壓下對比電池包內部的負壓測試，進行電池包內的電芯及控制器元件的驗證。根據如下公式[4]：

當海拔為4000米時，大氣壓力為57.57kpa，則P包內壓力為46.056kpa，相當于5400km海拔。

某項目電池包做高海拔試驗，通過試驗數據驗證該產品在高海拔大氣壓力下的放電情況，試驗設備需要圖1 高海拔試驗設備和圖2 充放電試驗設備，將電池包放入高海拔設備內如圖3所示進行超高海拔試驗，如圖4所示，電池包通過30kpa的壓力，相當于海拔8100km的高度儲存5小時，然后對測試對象進行1C（不超過400A）恒流放電至放電截止條件，觀察2h系統正常運作未發現異常。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，由于鋰離子電池熱失控一旦發生，很難終止其反應，為了安全期間，不損害設備的前提下做了30kpa保持5小時后，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? ?系統設計

根據某一項目方案[5]如圖6所示，電池包內的氣體通過電磁閥經過箱體過氣孔，在經過抽氣泵經過凈化裝置排出。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，屬于保養期需檢查的一個零部件，到期需更換。除此之外系統對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，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開;斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉;防護等級IP68，耐壓不低于0.5兆帕;介質特性為氣體可以雙向流動，閥體材料應具有防腐蝕性。

2.3.2 電動氣泵

電動氣泵選擇體積小，高性能的抽、打氣泵。噪音低于30dB。壽命長，無油介質環保無污染。采用金屬平衡塊，產品平衡性能好，振動小。使用壽命長，免維護，氣密性好。

特殊要求，電磁閥打開，打氣泵不工作時，負壓的電池包能給吸入外界的空氣，能夠實時調整包內與外界的壓力值。

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，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米不能夠進入（一個標準大氣壓下）。

2.3.4 控制器

控制器可集成于整車控制器VCU或BMS內，也可以單獨作為一個控制模塊提供信息給整車系統，拓撲結構如圖8所示：

3? ? 系統工作原理

通過壓力傳感器感知電池包內的壓力，當壓力與設置值不符合時控制器控制抽氣泵工作，將系統內的氣壓保持在合理值（這個壓力值由電池單體廠家提供，不損壞電芯）。當車輛靜止24小時后真空度有所下降，則證明電池包體有泄漏現象，發出信號要求維護人員進行檢修。車輛在工作時，如大電流充放電，電池內部會產生少部分氣體，使系統壓力升高，此時真空泵開始工作將多余氣體排出至規定壓力值，并將信息傳遞給整車系統。系統根據電芯企業提供的壓力范圍值進行調整，此壓力值為企業提供，對電芯沒有負面影響。

系統根據S來計算抽氣的基礎時間，超過設定時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，系統根據P的變化來調節P2的壓力值。

4? ? 電氣原理及控制

如圖9所示，F1-4為熔斷器，K為繼電器，S為電磁閥，M為真空泵電機，P為壓力傳感器，當點火鑰匙接通后，系統開始工作，P提供系統內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? ? 結論

本文對電動汽車電池組的結構特點和功能需求進行研究，設計了基于密封環保的車用電池包系統，具有電池包真空壓力密封監測、有毒氣體過濾等功能。

另外，水分在低于環境氣壓下蒸發加快，有效的保證了電池包內的干燥度，提高絕緣等級。在控制上對大氣壓力的變化進行了相對應的調節對電池進行保護，此系統適應的車型廣泛。

參考文獻：

[1]GB/T 18384.1-2015 電動汽車安全要求，第1部分：車載可充電儲能系統（REESS）[S].

[2]羅建志，王少波，楊獻奎.氟化氫處理技術及應用研究進展[J].化工新型材料，2011-04-153.

[3]GB/T 31467.3-2015，電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統，第三部分：安全性要求與測試方法[S].

[4]DL/T 5240-2010，火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程[S].

[5]成都雅駿新能源汽車科技股份有限公司，一種可涉水的安全環保車用電池包系統，中國[P]2015-04-22.