請問紋波電流加熱技術及對新能源汽車性能有何影響呢？

在新能源汽車研發(fā)及測試過程中，有些性能參數(shù)的測試如紋波電流/電壓等過去并未被生產(chǎn)廠家重視，但在汽車出口時卻至關重要。事實上，紋波電流如果發(fā)生異常，不僅影響動力電池及其管理系統(tǒng)的運行品質(zhì)，嚴重時甚至會影響整車的安全性能。為此，分析了新能源汽車紋波電流的來源及其對整車性能的影響；探討了利用紋波電流進行動力電池自加熱技術，即利用紋波電流對電池正負極施加交流激勵，使電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)生熱量，實現(xiàn)電池的交流自加熱，從而提升動力電池輸出性能、增加新能源汽車續(xù)航里程。

我國汽車行業(yè)正面臨快速進入全球競爭的挑戰(zhàn),過去并不重視的一些性能參數(shù)測試在出口時卻至關重要,如紋波電流測試?國內(nèi)鮮有對新能源汽車的紋波產(chǎn)生機理及如何降低紋波危害等方面的研究,而國外許多國家在汽車驗收時將紋波限值作為判定整車合格與否的8個考核指標之一?紋波過大不僅會造成嚴重的電磁干擾,還會對動力電池性能產(chǎn)生巨大影響,因此,全面認識并解決紋波的影響成為眾多新能源整車廠家和動力電池廠家亟待解決的課題 ^[2]^ ?

紋波來源

大量理論分析和實際應用表明 ^[3]^ ,紋波的來源主要包括以下3個方面:①車輛電機控制器產(chǎn)生;②車輛電機產(chǎn)生;③充電樁充電時引入?

經(jīng)過大量不同變量對紋波幅值和頻率影響的測試發(fā)現(xiàn),新能源汽車的動力輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是影響紋波波形的重要因素,即轉(zhuǎn)矩影響紋波的幅值分布,轉(zhuǎn)速影響紋波的頻率分布?在轉(zhuǎn)速不變的情況下,增大轉(zhuǎn)矩,紋波的頻率范圍不變,幅值增大;在轉(zhuǎn)矩不變的情況下,增大轉(zhuǎn)速,紋波的頻率隨之增大,兩者呈線性相關?

紋波影響

對動力電池的影響

對于新能源汽車的動力電池而言,紋波可能會造成電池析鋰?陽極顆粒開裂?熱分布不一致等現(xiàn)象,這對電芯模塊會造成不可逆的損傷?電池包模塊由電芯模塊串聯(lián)?并聯(lián)組成,紋波對電芯的影響會傳導至電池包模塊,繼而產(chǎn)生不可控的諧振大電流,而諧振大電流會誘發(fā)熱失衡,這對電池的熱管理提出了挑戰(zhàn) ^[4]^ ?

對電池管理系統(tǒng)(BMS)的影響

新能源汽車BMS會受到紋波的影響[2]?BMS控制動力電池多方面的功能,如電池組管理?充放電控制?功率限制?熱管理?電池安全保護和預警等?紋波一旦對BMS產(chǎn)生干擾,或影響傳感器(如溫度傳感器)的正常工作,這對新能源汽車整車的正常?穩(wěn)定運行提出了巨大挑戰(zhàn),而新能源汽車的高壓系統(tǒng)組件是高頻紋波傳播的最主要途徑?

對整車運行的影響

新能源汽車動力電池包由繼電器?保險絲?復合母排?模組等組成,各組件自身及相互連接均會產(chǎn)生寄生電感,最終導致電池包阻抗隨紋波頻率的提高而增大?在車輛行駛過程中,在一定頻段內(nèi)發(fā)生諧振,對應紋波電流大幅增大,導致電池嚴重發(fā)熱,且呈現(xiàn)不均衡發(fā)熱,這對電池的熱管理提出了嚴峻挑戰(zhàn)?在車輛行駛過程中,電池溫度過高,BMS會切斷電池對車輛的供電,導致車輛在路上失去動力?

紋波具有隨機性,疊加到電池包中的紋波呈現(xiàn)頻率寬?幅值大的特點?在研究紋波對動力電池的影響時,向電池中注入掃頻紋波,查看測試數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),個別單體電芯會超過限制電壓,觸發(fā)BMS的單壓過壓保護和單體壓差保護,進而影響車輛正常運行?電池包會在特定頻率點檢測到異常?非真實值的電流信號,進而觸發(fā)電池包的斷開保護,使電池包繼電器脫開,停止工作?

測試過程表明,不同電池包會在不同的頻率點出現(xiàn)此現(xiàn)象,在檢測過程中一般此類保護可以通過手動清除故障來恢復,但如果在車輛的實際行駛過程中,電池與繼電器斷開會導致車輛無法啟動,在運行中失去動力,甚至導致行車故障?

紋波用于電池內(nèi)部加熱

為了消除和避免新能源汽車的紋波危害,一些新能源汽車制造廠家和動力電池廠家已經(jīng)開始進行改善性或利用性研究?如目前已有廠家開始研究利用紋波來給動力電池加熱,實現(xiàn)電池的交流自加熱,從而提升動力電池輸出性能?

動力電池加熱方式

新能源汽車發(fā)展的一大瓶頸是續(xù)航里程問題,尤其是在北方寒冷的冬季,續(xù)航里程“跳水”讓消費者無法接受?在低溫環(huán)境下對5輛不同新能源汽車進行續(xù)航測試,結(jié)果表明續(xù)航里程平均下降率為37%,這與消費者對于續(xù)航里程衰減的容忍度(約為10%)差距較大?此外,在低溫寒冷的條件下車輛冷啟動時動力不足?剩余里程突然下降?充電變慢等問題也成為新能源汽車發(fā)展的技術瓶頸 ^[5]^ ?

根據(jù)加熱方式,現(xiàn)有的主流動力電池熱管理加熱方法可分為外部加熱法和內(nèi)部加熱法?

外部加熱法包括循環(huán)空氣加熱法?液體循環(huán)加熱法?正溫度系數(shù)電阻(PTC)加熱膜法和熱泵加熱法;內(nèi)部加熱法包括內(nèi)部鎳片自加熱法?直流自加熱法?直流脈沖自加熱法和交流紋波自加熱法?外部加熱法中循環(huán)空氣加熱法?液體循環(huán)加熱法的工業(yè)成本高,涉及到整車各系統(tǒng)的熱源?管路零部件數(shù)量較多,系統(tǒng)復雜度高,并且環(huán)境適應性差[6];而PTC加熱膜法的加熱方式為單側(cè)加熱,溫升熱均衡效果不佳且能耗比較高,在極端溫度下需要消耗40%的電池能量?

采用外部加熱法時需要先加熱箱體結(jié)構(gòu)件?電池殼體,再將熱量傳導至集流體活性材料,因此存在大量熱損失,熱接觸和熱負荷一致性較差,導致加熱工況中存在加熱速度慢?能量利用率低?溫度不均勻等先天固有缺陷;而內(nèi)部加熱法自內(nèi)向外的加熱路徑可以極大克服以上缺陷?

紋波加熱原理

交流紋波是指電動汽車整車處于能量回收?車輛運行或電池充電等狀態(tài)時會在直流高壓母線上產(chǎn)生的交流諧波?紋波加熱是對電池正負極施加一定頻率和幅值的交流激勵,電流經(jīng)電池內(nèi)部的歐姆阻抗后產(chǎn)生焦耳熱等,電芯內(nèi)部被加熱后,熱量經(jīng)過熱傳導和熱交換傳遞至電池殼體表面,實現(xiàn)交流自加熱,加熱原理圖如圖1所示?紋波加熱技術應用的關鍵在于針對不同電池,找到其不同低溫場景下長循環(huán)壽命的電流和頻率完全安全的策略邊界?

結(jié)語

本文分析了新能源汽車紋波電流的來源及其對整車性能的影響,探討了利用紋波電流進行動力電池內(nèi)部自加熱的技術?