新能源汽车电池系统的安全性设计策略及其实证研究

何健

摘 要：随着全球能源危机的日益加剧，汽车尾气排放以及能源短缺问题也愈发严重，汽车动力电池作为新能源汽车的重要组成部分，其安全性对新能源汽车的发展具有至关重要的意义。电池系统是新能源汽车的核心部件，其安全性能不仅关系到新能源汽车的质量及消费者人身安全，更是关系到整个新能源汽车产业的发展。在国家政策及市场需求的双重驱动下，近年来我国新能源汽车电池系统性能和安全性得到了快速提升。对此，本文将详细阐述新能源汽车电池系统的安全性设计策略，并进行实证研究，以期能够为相关设计人员提供一些必要的参考。

关键词：新能源汽车 电池系统 安全性 设计策略 实证研究

1 引言

在新能源汽车动力电池的研发和生产过程中，安全问题始终是一个不能回避的话题。动力电池的安全性是一个系统工程，包括电池材料、结构设计、生产工艺、使用维护等多个方面，其中最重要的是电池系统本身的安全。电池系统本身安全不仅涉及到动力电池内部的材料、结构、制造工艺等方面，还涉及到外部的电磁兼容与消防安全等问题。随着新能源汽车在中国市场的不断普及，消费者对动力电池系统的安全性越来越重视。为了有效控制和管理动力电池系统中可能存在的风险，保证车辆在使用过程中不出现意外情况，新能源汽车企业在动力电池系统设计时应重点关注其安全性设计策略。

2 新能源汽车电池系统的特点

2.1 功率密度

目前，新能源汽车使用的三元锂离子电池，可以达到300 Wh/kg左右，而普通燃油车动力电池系统的功率密度一般在150 Wh/kg左右。同样的动力电池系统，功率密度越大，汽车的续驶里程就越长。在电池的使用寿命上，传统燃油车动力电池系统要比新能源汽车动力电池系统短很多。因为传统燃油车在使用过程中，会出现汽油的挥发、动力电池系统老化等情况，导致动力电池系统的使用寿命也会大大降低。

2.2 使用安全性

动力电池系统在设计之初，就会将其放置在一个密封的箱体内，以保证在极端情况下不会出现安全问题；动力电池系统会配备热管理系统，通过对热管理技术的优化，使动力电池系统的温度可以控制在合理范围内；动力电池系统还会配备监控系统，实时监控动力电池系统的运行状态，一旦出现异常情况，比如动力电池系统出现过充电、过放电或其他异常情况时，监控系统会及时预警并进行处理。

2.3 使用便利性

新能源汽车动力电池系统的优势，不仅体现在续驶里程上，还体现在充电便利性上。目前，新能源汽车动力电池系统的快充能力，一般可以达到0.5～1小时；而传统燃油车，充电时间则需要1～2小时。在使用便利性上，新能源汽车动力电池系统也有更好的表现。

3 新能源汽车电池系统的安全性设计策略

3.1 材料设计

材料是汽车安全的重要组成部分，对新能源汽车而言，电池系统作为核心部件，其安全性至关重要。为提升电池系统的安全性，在材料设计方面需要考虑到以下几点：（1）电池包结构设计。结构设计是整个电池系统的核心，对电池系统的性能起到决定性作用。在电池包结构设计中，主要涉及到电芯、模组、电池组、整包和附件等几个部分，其中电芯是整个电池系统中最为关键的零部件。因此在电芯的选择上，需要考虑到其安全性，确保其具备耐高电压、高倍率等优点，为了提升动力电池包的安全性，通常会在电芯的设计上使用金属外壳包裹、金属隔板隔离等方式进行防护。（2）隔热材料选择。对于新能源汽车而言，动力电池包本身就属于一个十分特殊的结构系统。在电池包内部除了电芯之外还存在着高压线缆、绝缘垫、隔热垫以及隔热层等零部件，这些零部件均属于高温环境下工作的器件，因此需要对其材料进行选择以避免在高温环境下出现过热的情况。具体而言，隔热材料主要包括三种：金属、非金属以及复合材料。其中金属材料中以铝和不锈钢最为常见；非金属材料中主要包括陶瓷、塑料等；复合材料则包括碳纤维和玻璃纤维等。在电池包外部进行隔热设计时，需要考虑到其隔热性能和安全性问题。通常情况下新能源汽车电池包外部的隔热主要分为三种形式：第一种是在电芯之间采用泡沫绝缘垫进行隔离；第二种是采用多层聚苯乙烯泡沫板进行隔离；第三种则是使用非金属隔热垫进行隔离。综合考虑安全性以及成本等因素可以发现非金属隔热垫最适合用于新能源汽车电池包外部隔热设计[1]。

3.2 热管理设计

电池系统热管理技术是新能源汽车核心技术之一，其在提升动力电池系统安全性方面发挥着至关重要的作用。目前，新能源汽车的热管理主要分为冷却系统和热管理系统。冷却系统一般由空调、水泵、水泵电机、压缩机等组成，主要目的是为电池系统提供一个适宜的温度环境。为保证电池系统能够正常工作，需要对其进行有效的温度控制。当前，针对电池系统温度控制的研究主要集中于冷却系统结构和冷却方式两个方面。目前，市面上常见的冷却方式主要有风冷、液冷及相变材料等。其中风冷技术以其成本低、易于实现和维护等优势被广泛应用于新能源汽车电池系统中。与传统冷却方式相比，风冷技术具有较好的散热能力，能够在一定程度上降低电池发热并延长电池使用寿命。但是由于风冷技术所需冷却介质为空气，当新能源汽车处于高速行驶状态时，易产生气流扰动导致冷却效果不佳。相变材料凭借其优异的热管理性能成为新能源汽车电池系统热管理技术领域中的热门研究方向之一。相变材料即在一个物体内部存在温度梯度变化的一种材料，相变材料在热传递过程中会发生相变现象，并且能够维持一定的温度范围。相变材料由于其本身所具备的热传导性能，能够在较大程度上降低热量损失并维持稳定的温度范围。基于相变材料对温度变化的良好响应性，人们将其应用于电池系统中以实现良好的热管理效果。例如，在电池包冷却系统中引入相变材料后能够有效降低电池包内的温度变化速率和熱负荷，从而保证电池包内各单体电池之间具有稳定的温度梯度[2]。

3.3 热失控防护设计

锂离子电池的热失控是一个复杂的物理和化学过程，当锂离子电池发生热失控时，电池内部会释放大量的热量，最终导致热失控。为了避免热失控对整个电池系统的破坏，可在动力电池系统中采用以下防护措施：（1）针对单个电池，通过设置多个温度传感器以及增加内部冷却液管路的方式，实现对电池组温度的实时监测；（2）在电池组的底部和侧面，设置一个隔热垫以防止热量传递至电池组内部；（3）在电池组中设置冷却风扇对电池组进行降温；（4）在每组电池组的正极连接处安装一个绝缘垫，并将其置于电池正极连接处，以防止电化学反应产生的热量传递至相邻的单体电芯。绝缘垫可以起到保护作用，并且在发生热失控时能够降低系统内各单体电芯之间的电压差，从而避免电芯之间短路或烧断。（5）在每组电池的正极连接处安装一个限压阀以防止内部压力过高引发热失控。（6）在电池组周围布置一个接地装置以减少内部电压差引起的热失控。此外，还应采用其他措施来防止热失控现象的发生[3]。

3.4 安全冗余设计

新能源汽车电池系统的安全冗余设计包括硬件冗余和软件冗余两个方面。硬件冗余是指在电池系统的关键部件上安装安全模块，确保出现系统硬件故障时系统能够快速切换到其他正常工作模式；软件冗余是指在电池系统软件模块中设计合理的冗余算法，一旦出现故障，则能够实现快速切换。当电池系统出现安全故障时，需要及时切断电池包及电机等关键部件的供电，以实现对安全隐患的隔离，并在安全故障排除后及时恢复供电，以确保车辆行驶安全。例如，为了提高整车安全性，在动力电池系统中设置了冗余的低压电器保护电路以及高压电器保护电路，一旦动力电池发生故障时能够快速切换到其他正常工作模式，从而确保新能源汽车的安全性。

3.5 高压安全保护措施

从结构上讲，锂电池系统分为三个部分：正负极、隔膜和电解液，这三部分在制造过程中需要采取高压绝缘保护措施，防止内部短路。由于动力电池单体电压高，系统内部空间狭窄，难以对电池单体进行高压绝缘保护。因此，在动力电池系统中通常采用两种方法进行高压安全保护：第一种是使用绝缘外壳对高压模组进行保护；第二种是采用绝缘隔离装置对高压模组进行保护。对于第一种方法来说，该方法能够有效防止电池单体之间短路的发生，但由于无法保证每一颗电芯都能够被有效地隔离开来，因此存在一定的安全隐患。而绝缘隔离装置由绝缘壳体和绝缘隔离电缆组成，能够有效防止动力电池系统中不同电芯之间短路。此外，为了进一步提高该保护措施的安全性及可靠性，可以在高压模组上增加绝缘隔离装置[4]。

3.6 安全监控系统

电池管理系统（BMS）是新能源汽车电池系统安全监控系统的核心， BMS通过监测电池的工作状态，能够及时发现并诊断电池的故障，确保电池系统在任何情况下都处于安全运行状态。目前新能源汽车常用的系统包括电池管理系统（BMS）、热管理系统和监控系统三大部分。其中，电池管理系统（BMS）主要工作于监测电池工作状态和监测整车运行状态。通过实时监测电池的工作状态和整车运行状态，及时发现并诊断电池的故障，确保动力电池的安全运行。热管理系统（BMS）是新能源汽车动力电池的核心部件，其主要功能是对动力电池组进行温度监控和热管理。监控系统主要通过采集动力电池组的工作电压、电流、温度等信息并对其进行分析和判断，对动力电池组进行监控。监控系统还可以根据当前的工作状态自动调整工作模式。电气安全监测是指通过检测动力电池组中各部件的电流和电压，并将其与正常状态下的电流和电压进行比较，以判断动力电池组是否存在异常，是否存在短路或者接触不良等现象。如果发现异常现象或存在故障隐患时，则会及时提醒车辆控制单元或整车控制器进行相关处理。振动和冲击检测是指通过安装在动力电池组上的振动和冲击传感器检测动力电池组运行过程中各部件是否产生异常振动和冲击，以判断动力电池组是否出现故障或异常现象。如果发现振动和冲击传感器检测到有振动或冲击现象时，则会通过相关软件或硬件控制算法实现对动力电池的保护和报警。除此之外，还可以通过安装在动力电池组上的加速度传感器来检测其是否发生碰撞。如果在车辆行驶过程中发生碰撞事故时，加速度传感器将会通过采集碰撞事故车辆上各部件的加速度信号来判断车辆是否存在碰撞事故，從而采取一定的保护措施[5]。

4 新能源汽车电池系统的安全性实证研究

本文以比亚迪海豚车型为例进行实证研究，比亚迪海豚作为一款新能源汽车，采用前麦弗逊式独立悬架、后多连杆式独立悬架结构，电池系统搭载了比亚迪自主研发的刀片电池，采用磷酸铁锂材料，电池单体容量为33 Ah。比亚迪海豚搭载了比亚迪自主研发的电池管理系统（BMS）。该 BMS由电池管理系统、高压安全保护系统和热管理系统三部分组成，分别实现电池温度监测、过压保护、过流保护等功能。实验结果表明，该 BMS能够有效地降低电池热失控的风险。

4.1 实验设计

实验方法为：在车辆启动前，对车辆进行预热，预热时间为5 min；然后对车辆进行加速行驶，在60 km/h的速度下进行加速操作，在实验过程中，分别对电池单体电压、电池温度、电池组温度5个指标进行监测。

4.2 实验结果分析

在实验过程中，当电池单体温度高于40℃时，电池系统开始发出报警信号；当电池单体温度高于60℃时， BMS发出断电指令；当电池单体温度超过70℃时， BMS发出过流指令。整个实验过程中，电池系统均未发生热失控现象。这表明该 BMS具有过流保护和过压保护功能，能够有效地避免动力电池热失控现象的发生。在实验过程中，由于外界因素的影响，例如驾驶人突然踩刹车、车辆发生碰撞等情况，导致动力电池单体电压瞬间下降到很低的水平，此时 BMS开始发出断电指令。如果没有断电指令的及时发出，则有可能导致动力电池单体电压继续下降到很低的水平。在这一过程中，由于动力电池单体电压下降到很低水平后不再继续下降，所以 BMS不再发出断电指令。这说明 BMS在一定程度上能够避免动力电池单体电压继续下降到很低水平时发生热失控现象。基于此，本文主要得出以下几点结论：第一，新能源汽车电池系统的安全性设计需要充分考虑其实际使用情况；第二，当前国内新能源汽车电池系统在安全性设计方面还存在一定不足与缺陷，需要相关部门及企业共同努力进行改进与完善；相关部门及企业应充分认识到新能源汽车电池系统安全性设计的重要性以及必要性，从而更好地提升新能源汽车电池系统安全性。

5 结语

总之，新能源汽车的动力电池系统，在能量密度、功率密度、续驶里程、循环寿命和使用安全性等方面与传统燃油车相比，都有不同程度的提升。在性能指标上，新能源汽车动力电池系统与传统燃油车动力电池系统相比，优势非常明显。然而，由于目前我国新能源汽车动力电池系统技术仍处于起步阶段，产业链不成熟，市场上也存在一定的乱象。因此，我们还需要进一步关注新能源汽车动力电池系统的发展和市场竞争情况，以便更好地促进我国新能源汽车产业的发展。

参考文献：

[1]熊红红，焦红星.新能源乘用车用动力电池安全测试分析[J].汽车电器，2023，（12）：18-20.

[2]刘承杰.基于模型的新能源汽车动力电池SOC估算方法的仿真研究[J].汽车科技，2023，（06）：16-20.

[3]刘兰，郭少杰，王亮亮等.基于专利分析的动力电池系统与结构技术研究[J].汽车文摘，2023，（11）：22-28.

[4]蔡天鏖.新能源汽车动力电池的热行为及热管理的优化研究[D].南京邮电大学，2023.

[5]杨建银.新能源汽车电池管理系统控制策略研究[J].汽车测试报告，2023，（19）：4-6.