安全环保车用电池包系统研究

尹华军

摘  要：本文讲述了解决电动汽车电池包的安全防护和电池包内气体的问题。系统通过压力传感器对电池包内部压力进行实时监控，从而判定电池包的密封度。排出的气体通过净化装置过滤，减少对环境的污染。

关键词：电池包;安全电池包;环保电池包;真空电池包

中图分类号：U469.72      文献标识码：A      文章编号：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

随着科学技术的发展以及人们物质文化生活水平的提高，人们对电池的需求量越来越大，对电池的性能要求也越来越高。目前运用到电动汽车上的储能电池主要为镍氢电池和锂离子电池，车用电池包总成大多采用风冷、水冷和自然冷却等方式，在壳体密封防水防尘等级上做得不是很理想，风冷的电池包基本不具备防水功能，防护等级也不会超过IP41，水冷和自然冷却的基本在IP65以下，对于大雨天涉水运行仍然不可能，长期浸泡后绝缘等级达不到要求，电池内部短路至漏电燃烧等，影响人身安全和财产安全;由于过充过放、电池老化所产生的气体在电池包内聚集，车辆发生碰撞或电池發生短路时，会产生爆炸或爆燃;大多数类型电池在过充过放时或者短路时会产生甲烷、乙炔、氧气、氟化氢（HF）等气体，挥发到大气中对生物和环境造成污染。大量的电动汽车涌入市场，每台电池包排放的有毒气体虽然很少，但是电动汽车累计成多，最终会对环境和大气造成污染和伤害。

本文讲述了解决电动汽车电池包的安全防护和电池包内气体的问题。

1    电池包绝缘和排出气体的危害分析

纯电动汽车电压和电流等级都比较高，动力系统电压一般都在B级电路范畴[1]。电池包进水会导致绝缘下降，会出现漏电、短路等风险。所以电气伤害对人体和车辆自身的伤害是不容忽视的，威慑到生命和财产安全。因此，在电动汽车的开发过程中，应特别考虑电气系统绝缘问题，严格按照电动汽车相关标准要求设计，确保绝缘电阻能够满足人身安全需求。对于B级电压电路的电动汽车应满足：

直流电路保证绝缘电阻值不低于100Ω/V，

交流电路保证绝缘电阻值应大于500Ω/V。

大多数类型电池在过充过放时或者短路时会产生甲烷、乙炔、氧气、HF、氢等气体，其中HF是一种一元弱酸，吸入后溶水对人体有害。甲烷、乙炔、氢气都是可燃气体，氧气是助燃剂，当封闭的空间内这些混合气体的比例在达到一定条件时会发生爆炸从而引起整个车辆的剧烈爆炸或燃烧。

可见，电池包的密封及排出气体的处理，是一项非常重要的研究内容。

2    系统设计

2.1   系统分析

大多数电池包由箱体、电池模组、连接电缆控制模块、接插件及透气阀等组成。电芯在工作时会产生微量气体，过充或过放时会加剧。电池包密封等级要求苛刻，密封成本较高，虽然在做检测试验时防护等级可以达到IP67标准，但是不能保证日积月累、四季交换长期的硬件疲劳带来的防护等级下降的可能。简单地说就是整车系统不能对电池包内空间密封性做出判断，没有检测系统，只能通过高压系统绝缘等级下降后才能检测出来。

大多数电池在过充过放时或者短路时会产生甲烷、乙炔、氧气、氟化氢等气体。其中危害最大的要数氟化氢气体（HF），处理氟化氢的方法有压缩冷凝法、吸收法、吸附法和膜分离等方法[2]。适合用于电动汽车上可以利用吸收法、吸附法和膜分离法技术对电池内排出的气体进行过滤。

密封的电池包通过导管与真空泵系统连接，使电池包体内的气体由真空泵系统吸出，从而保证电池包的内部压力一直处于一个合适的真空压力值（参考电动气泵的工作压力值）状态，水分在真空状态下，沸点会降低;真空度越高，水的沸点越低，当水分汽化之后，从电动气泵中排出，也起到一个很好的干燥作用，系统的绝缘得到保障，电池箱老化有细微浸水以后也可以将水分很快蒸发出来;用导管连通密封的电池包和真空泵系统，使电池包和真空泵系统完全隔离开来，并保持与电池包体内完全贯通。

增加电池包内部压力检测系统，电池包可以做成全密封结构，防护等级达到IP67，可长期浸泡在水里，系统根据压力值来判断可以随时检测电池包内部的密封程度。净化装置可以对排出气体进行过滤。

通过电芯厂家提供的承压值设定系统的保持压力。车辆进入不同海拔时电池包内压力具有调节功能。当内部压力保持后，在车辆进出不同大气压下，自动调节系统压力，避免海拔的增高对电芯产生伤害。

在控制器策略内设置环境大气压为1个标准大气压或海拔更低时

则：P包外/P包内=1/0.8

在海拔超过3000米时也可以

则：P包外/P包内=1/1.2

控制器随着海拔高度的变化而自动调整，压力比值根据上述条件进行变化，使电池工作在一個较舒适的工作压力范围内。控制器通过每次关闭点火钥匙和开启点火钥匙的时长来判断，根据压力传感器来检测系统的压力值变化，兼顾电池包的实时工况来判断电池包的密封度。

2.2    系统验证

根据《GB/T 31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第三部分：安全性要求与测试方法》中7.12项高海拔要求进行验证测试[3]，对电池包及系统进行环境大气压下对比电池包内部的负压测试，进行电池包内的电芯及控制器元件的验证。根据如下公式[4]：

当海拔为4000米时，大气压力为57.57kpa，则P包内压力为46.056kpa，相当于5400km海拔。

某项目电池包做高海拔试验，通过试验数据验证该产品在高海拔大气压力下的放电情况，试验设备需要图1 高海拔试验设备和图2 充放电试验设备，将电池包放入高海拔设备内如图3所示进行超高海拔试验，如图4所示，电池包通过30kpa的压力，相当于海拔8100km的高度储存5小时，然后对测试对象进行1C（不超过400A）恒流放电至放电截止条件，观察2h系统正常运作未发现异常。如图5是电池包在正常压力97.8kpa下和30kpa泄压后的放电曲线，由于锂离子电池热失控一旦发生，很难终止其反应，为了安全期间，不损害设备的前提下做了30kpa保持5小时后，泄压至正常压力后做的放电曲线，可见排除误差后两次放电曲线差异不大。

2.3   系统设计

根据某一项目方案[5]如图6所示，电池包内的气体通过电磁阀经过箱体过气孔，在经过抽气泵经过净化装置排出。电磁阀和抽气泵可以布置在电池包的外部或者内部，净化装置则必须安置在电池包外部可方便拆卸的部位，属于保养期需检查的一个零部件，到期需更换。除此之外系统对下面核心部件有一些特殊要求。

2.3.1 电磁阀

电磁阀为常闭式电磁阀，通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开;断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭;防护等级IP68，耐压不低于0.5兆帕;介质特性为气体可以双向流动，阀体材料应具有防腐蚀性。

2.3.2 电动气泵

电动气泵选择体积小，高性能的抽、打气泵。噪音低于30dB。寿命长，无油介质环保无污染。采用金属平衡块，产品平衡性能好，振动小。使用寿命长，免维护，气密性好。

特殊要求，电磁阀打开，打气泵不工作时，负压的电池包能给吸入外界的空气，能够实时调整包内与外界的压力值。

2.3.3 净化装置

净化装置（如图7 示意图）布置在更换便捷的位置方便保养，出气口具备防水渗入的功能，气体可以排出但液体在水深小于1米不能够进入（一个标准大气压下）。

2.3.4 控制器

控制器可集成于整车控制器VCU或BMS内，也可以单独作为一个控制模块提供信息给整车系统，拓扑结构如图8所示：

3    系统工作原理

通过压力传感器感知电池包内的压力，当压力与设置值不符合时控制器控制抽气泵工作，将系统内的气压保持在合理值（这个压力值由电池单体厂家提供，不损坏电芯）。当车辆静止24小时后真空度有所下降，则证明电池包体有泄漏现象，发出信号要求维护人员进行检修。车辆在工作时，如大电流充放电，电池内部会产生少部分气体，使系统压力升高，此时真空泵开始工作将多余气体排出至规定压力值，并将信息传递给整车系统。系统根据电芯企业提供的压力范围值进行调整，此压力值为企业提供，对电芯没有负面影响。

系统根据S来计算抽气的基础时间，超过设定时间范围后真空泵延后工作60秒后停止工作，并提示电池箱体泄露。K为一固定值，系统根据P的变化来调节P2的压力值。

4    电气原理及控制

如图9所示，F1-4为熔断器，K为继电器，S为电磁阀，M为真空泵电机，P为压力传感器，当点火钥匙接通后，系统开始工作，P提供系统内的压力信息给控制器，控制器控制S电磁阀和K继电器，使M真空泵工作。

4    结论

本文对电动汽车电池组的结构特点和功能需求进行研究，设计了基于密封环保的车用电池包系统，具有电池包真空压力密封监测、有毒气体过滤等功能。

另外，水分在低于环境气压下蒸发加快，有效的保证了电池包内的干燥度，提高绝缘等级。在控制上对大气压力的变化进行了相对应的调节对电池进行保护，此系统适应的车型广泛。

参考文献：

[1]GB/T 18384.1-2015 电动汽车安全要求，第1部分：车载可充电储能系统（REESS）[S].

[2]罗建志，王少波，杨献奎.氟化氢处理技术及应用研究进展[J].化工新型材料，2011-04-153.

[3]GB/T 31467.3-2015，电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统，第三部分：安全性要求与测试方法[S].

[4]DL/T 5240-2010，火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程[S].

[5]成都雅骏新能源汽车科技股份有限公司，一种可涉水的安全环保车用电池包系统，中国[P]2015-04-22.