動力電池被喻為新能源汽車的“心臟”。作為核心零部件之一，其對新能源汽車的續(xù)航里程、安全性和穩(wěn)定性起著決定性作用。隨著新能源汽車的普及，這顆“心臟”使用壽命如何、續(xù)航能力是否強勁、智能駕駛模式會否導(dǎo)致掉電過快等安全與儲能問題越來越被大眾所關(guān)注。
長沙理工大學(xué)胡林教授牽頭的“車輛安全與智能化研究團隊”，正是瞄準新能源智能汽車安全與能耗關(guān)鍵技術(shù)，深入開展新能源汽車動力電池安全與儲能系統(tǒng)優(yōu)化領(lǐng)域研究，取得了一系列兼具學(xué)術(shù)創(chuàng)新和工程價值的研究成果，讓新能源汽車“心臟”更加健康、更加強勁。
“預(yù)熱跑”為電池降溫
在大規(guī)模市場應(yīng)用中，動力電池的安全性能是影響新能源汽車的核心競爭指標。誘發(fā)電池安全問題的原因很復(fù)雜，其中溫度過熱失控導(dǎo)致燃燒是電池安全核心問題之一。
“正如心臟不是單一結(jié)構(gòu)一樣，動力電池內(nèi)部也不是單一的整體，而是由復(fù)雜的電芯組構(gòu)成。”胡林解釋道，大量電芯就像細胞一樣既緊密聯(lián)系又各自工作。外力撞擊、過充過放、高溫高熱等都可能讓有“暴脾氣”的電芯“發(fā)火”。當(dāng)其中某個電芯溫度過高，還會影響周圍其它電芯，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)引發(fā)安全事故。
如何為電池降溫？已有的方法除了通過電池管理系統(tǒng)來對溫度進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)外，還包括諸如用風(fēng)扇進行散熱，或用冷卻液帶走過高熱量等。
但問題也不少。前者存在散熱不均等明顯缺陷，且當(dāng)環(huán)境溫度過高時則效果不佳。相比起來，在動力電池周圍加裝管道回路，冷卻液體在管道內(nèi)勻速流動降溫的方法散熱更均勻、效果更好。
“美中不足的是這個方法忽略了液冷管道中的初始流速度。”胡林表示，如果把液冷管道想像成田徑跑道，把冷卻液想像成人，冷卻液被水泵增壓圍繞管道流動一圈就像通過人從起點繞田徑跑道勻速跑一圈。
“就像人起跑的瞬間過慢，不能立刻達到規(guī)定速度一樣，管道中冷卻液的初始流速過低，也不能馬上達到響應(yīng)速度。” 胡林說。
為了解決這個問題，胡林研究團隊建立了一種新型電池?zé)岚踩抡婺Ｐ?，通過電池管理系統(tǒng)預(yù)測電池溫度。當(dāng)溫度達到預(yù)設(shè)限值時，在保持冷卻液總流速不變的情況下，調(diào)節(jié)各管道內(nèi)的流速，有效提高響應(yīng)速度。
“好比預(yù)知出發(fā)時間的人，先在起點預(yù)熱跑動起來提高出發(fā)速度，這樣后面路程所需的平均速度就可以降低。由于后面的路程比起點那部分長得多，所以整體速度會降低。”胡林表示。
最終，胡林研究團隊在不增加動力電池混合冷卻系統(tǒng)寄生能耗的情況下，顯著提高了冷卻系統(tǒng)性能，從而大大延長了動力電池?zé)崾Э貍鞑ラg隔，達到防止因電池迅速燃燒而產(chǎn)生安全事故的目的。
個性化“混搭”延長電池壽命
胡林研究團隊在電池安全與儲能系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究并不止于此，他們還對降低電池損耗、延長續(xù)航能力方面進行了研究。
為了延長鋰離子電池的使用壽命，可以搭配超級電容器組成混合儲能系統(tǒng)。超級電容器的充電速度是鋰離子電池的10倍左右，且不畏嚴寒、高功率密度、較高安全性，能很好地滿足人們對頻繁加減速的需求。
但是搭配超級電容器組成的混合儲能系統(tǒng)，就像給心臟注入了強心劑，存在成本高、重量大、總體效率低的“副作用”。由于它比單一電池的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如何使鋰離子電池和超級電容器發(fā)揮各自的優(yōu)勢，是一大難題。
“關(guān)鍵是要解決當(dāng)前混合儲能系統(tǒng)能量分配中，鋰離子電池容量損失和系統(tǒng)能量損失之間的矛盾。既然鋰離子電池快速老化、使用壽命降低與頻繁加減車速有關(guān)，何不從這一點入手？”胡林研究團隊決定調(diào)研不同駕駛員的駕駛風(fēng)格與車輛能耗及電池的壽命之間的具體影響。
胡林研究團隊采集了不同駕駛員的行駛數(shù)據(jù)，通過對激進型、謹慎型和標準型三類不同的駕駛風(fēng)格行駛數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)每種風(fēng)格對能量分配的影響。
“我們發(fā)現(xiàn)，激進型的駕駛員需要電池提供更多的電能以及功率；反之，謹慎型的則沒有太多需求。”團隊成員田慶韜說道。
在此基礎(chǔ)上，胡林研究團隊研發(fā)設(shè)計了適應(yīng)多種模式的能量分配方式的執(zhí)行控制器，通過系統(tǒng)針對駕駛風(fēng)格和電池狀態(tài)進行最優(yōu)化能量分配，有效延長了續(xù)航能力和鋰離子電池壽命，實現(xiàn)動力電池組壽命的最大化和制造成本的最小化。
“優(yōu)化后，在激進駕駛風(fēng)格下，鋰離子電池容量衰減和系統(tǒng)能量損失分別降低了37.89%和12.45%。”田慶韜表示。
團隊成員還結(jié)合實時交通信息，進一步針對不同駕駛風(fēng)格對混合儲能系統(tǒng)能量分配進行分析，發(fā)現(xiàn)激進型駕駛風(fēng)格更注重電動汽車的動力性，電機的需求功率大且加減速度最大。謹慎型的則相反。
未來，胡林研究團隊將進一步研究智能駕駛技術(shù)參與下新能源汽車的能耗規(guī)律，利用車聯(lián)網(wǎng)、智能交通技術(shù)中的海量數(shù)據(jù)進行更精確的安全及能耗預(yù)測，為新能源汽車的智能化整車能量和安全管理提供優(yōu)化方案。
同時，胡林研究團隊還會探究“混搭”技術(shù)的其他組合，使能量管理系統(tǒng)能夠適配其中各個組件的充放電及動力輸出特性，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)能量管理對新能源汽車駕駛員以及周圍實時道路交通環(huán)境的自適應(yīng)匹配，提高能量管理的智能化水平，進一步提高新能源汽車的綜合性能。
長沙理工大學(xué)胡林教授牽頭的“車輛安全與智能化研究團隊”，正是瞄準新能源智能汽車安全與能耗關(guān)鍵技術(shù)，深入開展新能源汽車動力電池安全與儲能系統(tǒng)優(yōu)化領(lǐng)域研究，取得了一系列兼具學(xué)術(shù)創(chuàng)新和工程價值的研究成果，讓新能源汽車“心臟”更加健康、更加強勁。
“預(yù)熱跑”為電池降溫
在大規(guī)模市場應(yīng)用中，動力電池的安全性能是影響新能源汽車的核心競爭指標。誘發(fā)電池安全問題的原因很復(fù)雜，其中溫度過熱失控導(dǎo)致燃燒是電池安全核心問題之一。
“正如心臟不是單一結(jié)構(gòu)一樣，動力電池內(nèi)部也不是單一的整體，而是由復(fù)雜的電芯組構(gòu)成。”胡林解釋道，大量電芯就像細胞一樣既緊密聯(lián)系又各自工作。外力撞擊、過充過放、高溫高熱等都可能讓有“暴脾氣”的電芯“發(fā)火”。當(dāng)其中某個電芯溫度過高，還會影響周圍其它電芯，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)引發(fā)安全事故。
如何為電池降溫？已有的方法除了通過電池管理系統(tǒng)來對溫度進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)外，還包括諸如用風(fēng)扇進行散熱，或用冷卻液帶走過高熱量等。
但問題也不少。前者存在散熱不均等明顯缺陷，且當(dāng)環(huán)境溫度過高時則效果不佳。相比起來，在動力電池周圍加裝管道回路，冷卻液體在管道內(nèi)勻速流動降溫的方法散熱更均勻、效果更好。
“美中不足的是這個方法忽略了液冷管道中的初始流速度。”胡林表示，如果把液冷管道想像成田徑跑道，把冷卻液想像成人，冷卻液被水泵增壓圍繞管道流動一圈就像通過人從起點繞田徑跑道勻速跑一圈。
“就像人起跑的瞬間過慢，不能立刻達到規(guī)定速度一樣，管道中冷卻液的初始流速過低，也不能馬上達到響應(yīng)速度。” 胡林說。
為了解決這個問題，胡林研究團隊建立了一種新型電池?zé)岚踩抡婺Ｐ?，通過電池管理系統(tǒng)預(yù)測電池溫度。當(dāng)溫度達到預(yù)設(shè)限值時，在保持冷卻液總流速不變的情況下，調(diào)節(jié)各管道內(nèi)的流速，有效提高響應(yīng)速度。
“好比預(yù)知出發(fā)時間的人，先在起點預(yù)熱跑動起來提高出發(fā)速度，這樣后面路程所需的平均速度就可以降低。由于后面的路程比起點那部分長得多，所以整體速度會降低。”胡林表示。
最終，胡林研究團隊在不增加動力電池混合冷卻系統(tǒng)寄生能耗的情況下，顯著提高了冷卻系統(tǒng)性能，從而大大延長了動力電池?zé)崾Э貍鞑ラg隔，達到防止因電池迅速燃燒而產(chǎn)生安全事故的目的。
個性化“混搭”延長電池壽命
胡林研究團隊在電池安全與儲能系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究并不止于此，他們還對降低電池損耗、延長續(xù)航能力方面進行了研究。
為了延長鋰離子電池的使用壽命，可以搭配超級電容器組成混合儲能系統(tǒng)。超級電容器的充電速度是鋰離子電池的10倍左右，且不畏嚴寒、高功率密度、較高安全性，能很好地滿足人們對頻繁加減速的需求。
但是搭配超級電容器組成的混合儲能系統(tǒng)，就像給心臟注入了強心劑，存在成本高、重量大、總體效率低的“副作用”。由于它比單一電池的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如何使鋰離子電池和超級電容器發(fā)揮各自的優(yōu)勢，是一大難題。
“關(guān)鍵是要解決當(dāng)前混合儲能系統(tǒng)能量分配中，鋰離子電池容量損失和系統(tǒng)能量損失之間的矛盾。既然鋰離子電池快速老化、使用壽命降低與頻繁加減車速有關(guān)，何不從這一點入手？”胡林研究團隊決定調(diào)研不同駕駛員的駕駛風(fēng)格與車輛能耗及電池的壽命之間的具體影響。
胡林研究團隊采集了不同駕駛員的行駛數(shù)據(jù)，通過對激進型、謹慎型和標準型三類不同的駕駛風(fēng)格行駛數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)每種風(fēng)格對能量分配的影響。
“我們發(fā)現(xiàn)，激進型的駕駛員需要電池提供更多的電能以及功率；反之，謹慎型的則沒有太多需求。”團隊成員田慶韜說道。
在此基礎(chǔ)上，胡林研究團隊研發(fā)設(shè)計了適應(yīng)多種模式的能量分配方式的執(zhí)行控制器，通過系統(tǒng)針對駕駛風(fēng)格和電池狀態(tài)進行最優(yōu)化能量分配，有效延長了續(xù)航能力和鋰離子電池壽命，實現(xiàn)動力電池組壽命的最大化和制造成本的最小化。
“優(yōu)化后，在激進駕駛風(fēng)格下，鋰離子電池容量衰減和系統(tǒng)能量損失分別降低了37.89%和12.45%。”田慶韜表示。
團隊成員還結(jié)合實時交通信息，進一步針對不同駕駛風(fēng)格對混合儲能系統(tǒng)能量分配進行分析，發(fā)現(xiàn)激進型駕駛風(fēng)格更注重電動汽車的動力性，電機的需求功率大且加減速度最大。謹慎型的則相反。
未來，胡林研究團隊將進一步研究智能駕駛技術(shù)參與下新能源汽車的能耗規(guī)律，利用車聯(lián)網(wǎng)、智能交通技術(shù)中的海量數(shù)據(jù)進行更精確的安全及能耗預(yù)測，為新能源汽車的智能化整車能量和安全管理提供優(yōu)化方案。
同時，胡林研究團隊還會探究“混搭”技術(shù)的其他組合，使能量管理系統(tǒng)能夠適配其中各個組件的充放電及動力輸出特性，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)能量管理對新能源汽車駕駛員以及周圍實時道路交通環(huán)境的自適應(yīng)匹配，提高能量管理的智能化水平，進一步提高新能源汽車的綜合性能。
