压力测量维持锂电池合理温度

压力测量维持锂电池合理温度

我们都看到过笔记本电脑突然发生爆炸的视频或是在新闻上看到过在完成碰撞测试的几周内发生爆炸的雪佛兰事件:被称为“热失控事件”,锂电池的出现在带来便利的同时也产生了极度的危险。

热失控通常是由过量电流或是高温环境引起的,包含几个阶段:

  • 电池温度升高到80℃时候,固态电解质层间层(SEI)开始分解;分解后电解质和正极发生反应,这个反应会放射热能从而促使温度迅速升高。
  • 其次,高温会导致有机溶剂的分解从而导致气体的释放-通常这一过程始于110℃左右。在这阶段,芯体内部压力增加,温度超出熔点范围。尽管如此,气体由于缺氧不会引燃。
  • 最后在135ºC时隔膜吸热熔断,正负极短路,导致金属氧化物在200ºC时分解并释放出氧气,最终形成电解质和氧气的燃烧。此放热反应能够迅速的提升温度和压力。

液冷电池:解决热失控的方案

为调节高能锂电池内部芯体的温度,制造商采用了先进的电池热管理系统,减小单体电池内部不同部位之间的温度差异,保证单体电池的温度分布均匀。

但是为了实现针对电动或混合动力汽车电池的高效的流体冷却散热器设计,最重要的是通过在多个位置测试和记录值来确定电池的温度和热通量。这是用热电偶在电池的充放电循环中完成的。

一旦收集并分析了这些数据,就会通过趋势线来推断出热通量数据,然后在充放电阶段为热通量建立方程式。当数据被记录下来,就会使用诸如PTC Creo 3D这样的建模软件来创建一个 “半散热器”模式。

然而,有效的热传递需要在速度、压力和通过散热器的流动流体的温度之间保持良好的平衡。因此,完善进出口压力来控制冷却剂通过散热器的流量是非常重要的。

精确压力测量优化传热

压差在0.008273709bar的压力传感器被认为是最佳的。用来测量通过散热器的的流体压力的压力传感器在不同的压力和温度条件下必须十分精确 和稳定。

世界上只有少数制造商能够生产满足此要求的压力传感器。超高精度、性能稳定使得产品销向全球。

这些高精度传感器 记录的测试结果被用用来绘制在不同容积流率下最大压力和最小压力曲线,允许将不同的流道设计进行比较。

正如伯努利方程所定义的,等高流动时,流速大,压力就小。

基于此,工程师选择较宽通道允许更大流量通过电池,从而优化芯体到散热器的传热。

因此,得益于开发阶段压力的精确测量,通过强制对流散发热量,大大提高了锂电池的安全性、可靠性和使用寿命。

电动汽车的发展仍需面对压力

电动汽车的发展仍需面对压力

随着世界越来越接近“零排放”,交通运输工程师们面临着压力,他们必须想出创造性的方法,以保持司机们对不断变化的技术的信心。

以液压制动系统为例:当前的液压系统堪称工程杰作。当司机踩下刹车踏板时,他们认为理所当然的事情已经花了几十年的时间来发展和完善。虽然让车辆减速的系统本身就是一个复杂的工程壮举,但来自司机的伺服辅助踏板输入也同样令人印象深刻。

如果我们检查司机踩踏板的力和车辆的减速我们会发现它不是线性的。在“制动助力器”的帮助下,弯道的第一部分更陡,因此司机的踏板力与制动迟缓有直接关系。然而,在某一特定点,即所谓的“膝点”,辅助会减少,以防止驾驶员无意中锁住车轮,从而降低刹车效率。

尽管刹车制造商已经掌握了优化这些系统的技术,但在一个好的刹车系统和一个在极端条件下可能是危险的刹车系统之间有一个非常微妙的界限。经验丰富的司机通常会在紧急刹车时采取这种措施,当车辆最初如预期般减速时,却在事故发生前一刻“耗尽刹车”。这通常归因于伺服辅助的严重下降,使驾驶员在操作的关键阶段施加过度和意外的踏板压力。

虽然这可能是一个最糟糕的情形,甚至在日常驾驶条件下临界制动系统可以提供一个令人满意的用户体验:消费者抱怨缺乏感觉,通常在业内被称为“木制踏板”通常是由于踏板力应用不匹配预期的缺陷。在这种情况下,司机感觉与车辆分离了。

尽管如此,在经过几十年的完善后,汽车行业正被迫重新思考它所学到的一切:电动汽车正在重新定义汽车控制系统。

一级方程式赛车的线控刹车系统
图片来源: https://www.formula1-dictionary.net

革新电动汽车的制动系统

随着电气化的确立和传统内燃机逐步淘汰机械部件,如真空伺服,不再有现成的电源,这意味着必须开发电动泵和电机来驱动控制系统。

此外,为了集成自动驾驶系统,控制系统正在迅速转向电气/电子(E/ E)架构,通常称为“X线”控制。但是,为了使线控制动系统安全有效地发挥作用,人机界面(HMI)的完整性需要保持原样。为了实现这一目标,工程师们需要绘制出两组力(在这种情况下,用力/面积或压力来测量):驾驶员施加的踏板力,以及“传统”液压机械系统中卡钳活塞/轮缸所承受的压力。

只有高质量的压力传感器才能做到

这些数据的完整性对于E/ E系统的有效开发至关重要,因此只有能够准确和可重复记录的高质量压力传感器才能使用。

这些传感器不仅能够捕捉高度精确的数据,而且还需要在恶劣的化学物质、热量、振动和空间限制并不总是有利于精心校准的测量设备的环境中做到这一点。

因此,开发团队依赖于少数高质量的压力传感器供应商来提供他们可以依赖的测量设备。

感觉至关重要

有了输入/输出压力,工程师现在需要尝试和复制的不是完全停止的制动性能,而是传统系统的感觉。使用轮速传感器可以很容易地将减速效果最大化,但要复制驾驶员在低速下进行非常轻的“检查制动”时的感觉就不那么容易了。

这就是真实数据的价值所在:踏板的力度和系统的压力需要通过控制刹车速度的电子控制单元进行复制。这本身是一个庞大的任务,当司机踩刹车以不同的速率取决于道路和交通条件和个人喜好:司机匆忙离开制动到最后一刻,可能需要紧急刹车,而老年人则相反。

来衡量系统的性能应当安装在一级方程式赛车:三年之后仍有团队无法为司机提供刹车线系统提供足够的感觉让他们提交重刹车动作。

因此,尽管线制制动系统可能还需要几年的时间才能批量生产成本敏感的车辆,但制动系统专家已经能够在压力传感器的帮助下,准确地量化需要什么。

48V电气化助压发动机冷却系统

48V电气化助压发动机冷却系统

在2015年巴黎协定的背景下,该协议要求到2050年减少80%的温室气体排放,汽车行业正积极致力于发展“零排放”车辆。然而,在一个多世纪之后,内燃机不会在一夜之间突然消失,这让该行业别无选择只能探索新的技术来净化内燃机的排放。

尽管全面电气化是最终目标,但由于缺乏基础设施支持和大规模的推广,目前的技术成本过高。另一方面,混合动力车,特别是48伏轻型混合动力电动汽车,提供了一种成本效益高,易于实现的解决方案。

尽管48V轻型动力电车的技术实现相对简单,但它需要安装锂电池,以支持重启内燃机、制动能量回收和加速时的扭矩辅助。虽然这是一种非常有效的电力来源,但它也有几个缺点包括过热,可能导致“热失控”,甚至导致电池自燃。

热失控通常是由过量电流或环境温度过高引起的,并经过几个阶段的发展:

  • 温度升高到80 ºC的时候,负极SEI膜开始分解,之后电解质与阳极发生反应。这种反应产生的热量会导致有机溶剂分解释放气体从而增加芯体内部的压力。
  • 然而,由于缺氧,气体不会点燃。但是如果温度继续上升到135 ºC以上,分离器就会被溶解产生阳极和阴极之间的短路,导致金属氧化物阴极在200 ºC下分解,并释放出氧气致使电解液和氢气燃烧。

这是锂电池的特性,与全电动汽车一样,需要高效的电池管理和冷却系统 ,以确保安全、高效的操作。

Image 1: 保时捷电池冷却系统 (图片来源: Charged EVs)

确定48V锂电池的冷却要求

为了调节高功率48V锂电池的电池组温度(超过1000Wh),制造商们开发了精密的电池热管理系统,这些系统通常包括流体冷却散热器,以确保热稳定性。

但是,在实施流体冷却散热器之前,在系统的多个位置确定并记录电池的温度和热通量是很重要的。这是用热电偶在电池的充放电循环中完成的。

一旦收集和分析了这些数据,趋势线就会根据热通量数据进行外推,然后在电荷和放电阶段为热通量曲线建立方程。

一旦整体趋势记录下来,就会使用诸如PTC Creo 3D这样的建模软件来创建一个“半散热器”模型。这样做的过程中,可以将流体流动通道的建议路径规划出来,从而在关键路径上创建所需的冷却通道。

有效的热传递需要通过散热器通道在流体的流量、压力和流体的温度之间保持一个良好的平衡。因此,优化进口和出口压力来控制通过散热器的冷却剂的流量是非常关键的。

热量平衡的压力测量关键

由于压力传感器的压力差在0.008273709bar被认为是最佳的,压力传感器用来测量通过散热器的流体压力,在不同的温度和压力下必须非常准确和稳定。

在这个关键的发展阶段,因为一贯的精确性和可靠的性能,制造商只依赖于固定的生产厂家提供的高质压力传感器。

集中于散热器,在这些测试中记录的测量数据被用来绘制在散热器内不同体积流量的最大和最小压力,允许不同的流量通道设计进行比较。

如伯努利方程所定义的,等高流动时,流速大,压力就小。

出于这个原因,工程师们选择了宽通道,低流量,并且尽可能越过电池,从而优化了从芯体到散热器的传热过程。

到目前为止,开发过程类似于在电动汽车电池测试中进行的,但是在48V 轻型混合动力车的情况下,电池冷却通常被集成到内燃机冷却系统中以降低成本和复杂性,从而增加了内燃机冷却系统的热负荷。因此,一旦电池冷却被优化工程师需要将散热器冷却系统集成到内燃机的冷却系统中。

在设计的这一阶段,开发团队不仅要监测通过散热器的任何压差,还要测量通过整个冷却系统的压降,以确保发动机冷却不会受到电池冷却的负面影响。

再次,工程师们在压力读数中寻找增量差异,重要的是用来记录这些值的压力传感器是稳定的,并且可重复结果。

因此,尽管48V的电池液态冷却系统集成到内燃机系统中增加了热负荷,但考虑周全的设计和开发,特别是在系统压力方面,显著提高了锂电池的安全可靠性和可循环性,而不影响发动机冷却装置。