电动汽车电池热失控研究

 

电动汽车动力电池的热力学研究一直是电池系统开发的关键部分。随着动力电池设计需要满足更高的功率和容量要求，对高压电池内部热传导的测量变得尤为重要。新型HV DTemp数字温度测量系统可利用数百个精确定位的数字传感器来研究电池热点结晶区域，这些区域代表着热失控的潜在危险。

 

高压温度测量

 

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背景

在对动力电池进行分析和测试时，需要特别注意热失控可能带来的潜在危险。如果动力电池中的一个电池单元发生不可控的过热，热量将会扩散到其他电池单元，导致热失控。这个无法控制的过程可能会损坏整个车辆电池系统，并对乘客的安全构成威胁。因此，需要仔细分析可能导致热失控的各种情况，特别关注温度对相邻电芯和模组的影响，以及电池内部的热流和拥堵情况。此外，还需要进行可能引发热失控的误用测试。

例如，穿刺试验可能引发热失控（也称为加强热失控）。此类测试通常在特别安全的温度测试台中进行，而功能强大的数字温度测量系统CSM HV DTemp可以轻松集成到这些测试台中。

 

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挑战

对电池的设计和布局进行精确的预先规划，以进行系统地测量调查，是确保实际系统成功测量的重要环节。电池和温度仿真模型展示了在设计和仿真阶段检测到的电池关键热区。对电芯、模组和电池包进行精确的位置检测是验证运行安全性和电池结构特性对热失控影响的证明，也是产品批准发布的关键条件。电池内电芯和模组的封装密度对传感器的定位构成挑战：由于封装密度高，只有极小的空间可供传感器使用，通常仅在毫米范围内。在大多数情况下，传感器只能在电池组装过程中安装，而无法在组装后再添加传感器。

此外，还必须对所有其他组件进行测量，如母线、高压连接器、电子组件以及冷却和加热系统，因为这些组件的过热可能带来更多潜在危险。

需要对最坏工况、误用或者缺陷场景引起的电池过热或过充进行测试，同时还必须测试老化效应带来的风险。

由于热失控的标志是电池单体出现热点，因此对电池单体的温度测量尤为重要。必须验证热量传导到相邻电池模组的速度，并检查冷却和隔热装置的有效性。

 

CSM测量解决方案

 

 

 

HV DTemp测量系统是为高压电池和高压组件的热调查而开发的，具有精确且易于使用的特点。该系统可以通过与电池外部的HV DTemp-P中央单元的单根电缆连接，精确、数字化并且无干扰地采集多达512个温度测量点。

HV DTemp集成电路传感器具备不同型号，针对高压电池的不同位置进行了优化设计。传感器组件的尺寸、形状以及传感器电缆的长度取决于被测点。

图 1：安装在动力电池中的HV DTemp测量系统

图 2：母线上的单传感器

 

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在高压电池的不同应用中使用IC传感器技术

单个IC传感器用于测量小型独立组件的温度，例如连接器、电子模块、冷却液进出口或特殊外壳点和碰撞结构。

 

图4 :模组外壳上的单传感器，用于测量温度曲线 

图3:  该传感器技术还可以方便地安装在其他类型的电池单元之间

 

菊花链式集成电路传感器组件适用于测量母线、高压连接线或冷却液通道的温度。

集成电路传感器组件通过小型配电板连接，用于研究模组、封装表面以及空气间隙的温度流动。

图5：高压DTemp IC传感器：通过配电板连接，通过连接电缆和单个IC传感器进行菊花链式连接（从上到下）

超薄柔性的IC温度传感器用于测量电芯之间的温度，以便确定热点或结晶点的区域。它们还用于测试单个电池之间间隔物（绝缘材料）的效果。

IC传感器技术也可用于测量热效应，例如冷却板和模组底部的热传递效果。此外，穿孔载体箔也可用于这一领域。

图6: 超薄柔性电路上的IC传感器适用于在电池单元之间进行精确的温度测量

HV DTemp-Mx控制器将来自集成电路传感器的数据打包在一起，并将其传送至HV DTemp-P中央处理单元。为此，最多可将八个控制器级联起来，只需将一根连接电缆穿过外壳即可。

图 7: HV DTemp-M64控制器，最多可连接64个集成电路传感器

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热失控

如果要通过爆裂电池并释放电解质气体来引发热失控，则必须在非常高的温度下进行测量。为此，仿真预测区域必须配备适当的附加传感器技术。HV TH8 evo测试台的测量模块就是为此而设计的，其热点区域配备了额外的温度传感器。这些温度传感器的顶端也非常薄，并且根据测试需要用Kapton箔条进行定位。

图 8：Vector/CSM电动汽车测量系统对车辆电池热失控的研究

 

优势

 

 

使用CSM的HV DTemp测量系统进行高压电池的温度测量可以大大缩短测试过程。传感器可以在测试电池组装过程中直接安装在预先定位的测试点上。

数百个集成电路温度传感器可与测试电池中的特定应用组件配合使用，并可精确定位。

集成电路传感器组件的设计可以完全根据待测电池及其组件量身定制。在电池生产过程中，可根据规格要求精确安装组件。

图9: 在电池组装过程中，采用柔性电路的集成电路传感器技术可以轻松地安装在电池单元之间。通过这种方式，可以精确测量温度，并为各个传感器精确分配各自的ID，以便进行简单的数据管理。

每个测量点都有唯一的标识，并通过其各自的CAN-ID进行分配。这简化了测量点的规划，避免了接线错误。在有数百个传感器的测量设置中，清晰的分配方式也有助于测试员快速甄别。

只需一根高压安全电缆即可连接到高压电池外的HV DTemp-P测量模块。因此，由于电池外壳的结构影响较小，可以获得更精确的测量结果。此外，即使在测量过程中也能保证电池的气密性。如果将许多传感器电缆连接到电池外壳外的测量模块上，则无法实现这一点。

通过将IC传感器放置在各个电池单元之间的柔性电路上，可以确保测量和验证过程的准确性。如果单独的温度传感器被插入电池单元之间，安装错误、不准确的定位或遗忘放置它们将成为可能的错误来源。

该测量系统可轻松扩展到其他测量参数，如湿度、振动或扭转。为此，HV DTemp测量系统可通过CAN总线与Vector/CSM E-Mobility测量系统的其他测量模块轻松连接。

测试电池经常在不同的车辆中对测试电池进行测试。通过集成的HV DTemp测量系统，将电池转换到另一辆测试车辆非常简单和节省时间。