動(dòng)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(duì)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(qiáng)勁、智能駕駛模式會(huì)否導(dǎo)致掉電過(guò)快等安全與儲(chǔ)能問(wèn)題越來(lái)越被大眾所關(guān)注。
長(zhǎng)沙理工大學(xué)胡林教授牽頭的“車輛安全與智能化研究團(tuán)隊(duì)”，正是瞄準(zhǔn)新能源智能汽車安全與能耗關(guān)鍵技術(shù)，深入開(kāi)展新能源汽車動(dòng)力電池安全與儲(chǔ)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(jià)值的研究成果，讓新能源汽車“心臟”更加健康、更加強(qiáng)勁。
“預(yù)熱跑”為電池降溫
在大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用中，動(dòng)力電池的安全性能是影響新能源汽車的核心競(jìng)爭(zhēng)指標(biāo)。誘發(fā)電池安全問(wèn)題的原因很復(fù)雜，其中溫度過(guò)熱失控導(dǎo)致燃燒是電池安全核心問(wèn)題之一。
“正如心臟不是單一結(jié)構(gòu)一樣，動(dòng)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(xì)胞一樣既緊密聯(lián)系又各自工作。外力撞擊、過(guò)充過(guò)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(gè)電芯溫度過(guò)高，還會(huì)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(guò)電池管理系統(tǒng)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)外，還包括諸如用風(fēng)扇進(jìn)行散熱，或用冷卻液帶走過(guò)高熱量等。
但問(wèn)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(guò)高時(shí)則效果不佳。相比起來(lái)，在動(dòng)力電池周圍加裝管道回路，冷卻液體在管道內(nèi)勻速流動(dòng)降溫的方法散熱更均勻、效果更好。
“美中不足的是這個(gè)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(dòng)一圈就像通過(guò)人從起點(diǎn)繞田徑跑道勻速跑一圈。
“就像人起跑的瞬間過(guò)慢，不能立刻達(dá)到規(guī)定速度一樣，管道中冷卻液的初始流速過(guò)低，也不能馬上達(dá)到響應(yīng)速度。” 胡林說(shuō)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，胡林研究團(tuán)隊(duì)建立了一種新型電池?zé)岚踩抡婺Ｐ?，通過(guò)電池管理系統(tǒng)預(yù)測(cè)電池溫度。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)限值時(shí)，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(shí)間的人，先在起點(diǎn)預(yù)熱跑動(dòng)起來(lái)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(diǎn)那部分長(zhǎng)得多，所以整體速度會(huì)降低。”胡林表示。
最終，胡林研究團(tuán)隊(duì)在不增加動(dòng)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(zhǎng)了動(dòng)力電池?zé)崾Э貍鞑ラg隔，達(dá)到防止因電池迅速燃燒而產(chǎn)生安全事故的目的。
個(gè)性化“混搭”延長(zhǎng)電池壽命
胡林研究團(tuán)隊(duì)在電池安全與儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究并不止于此，他們還對(duì)降低電池?fù)p耗、延長(zhǎng)續(xù)航能力方面進(jìn)行了研究。
為了延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命，可以搭配超級(jí)電容器組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。超級(jí)電容器的充電速度是鋰離子電池的10倍左右，且不畏嚴(yán)寒、高功率密度、較高安全性，能很好地滿足人們對(duì)頻繁加減速的需求。
但是搭配超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，就像給心臟注入了強(qiáng)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(jí)電容器發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，是一大難題。
“關(guān)鍵是要解決當(dāng)前混合儲(chǔ)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(diǎn)入手？”胡林研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)采集了不同駕駛員的行駛數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)激進(jìn)型、謹(jǐn)慎型和標(biāo)準(zhǔn)型三類不同的駕駛風(fēng)格行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)每種風(fēng)格對(duì)能量分配的影響。
“我們發(fā)現(xiàn)，激進(jìn)型的駕駛員需要電池提供更多的電能以及功率；反之，謹(jǐn)慎型的則沒(méi)有太多需求。”團(tuán)隊(duì)成員田慶韜說(shuō)道。
在此基礎(chǔ)上，胡林研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)了適應(yīng)多種模式的能量分配方式的執(zhí)行控制器，通過(guò)系統(tǒng)針對(duì)駕駛風(fēng)格和電池狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)化能量分配，有效延長(zhǎng)了續(xù)航能力和鋰離子電池壽命，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jìn)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(tuán)隊(duì)成員還結(jié)合實(shí)時(shí)交通信息，進(jìn)一步針對(duì)不同駕駛風(fēng)格對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量分配進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)激進(jìn)型駕駛風(fēng)格更注重電動(dòng)汽車的動(dòng)力性，電機(jī)的需求功率大且加減速度最大。謹(jǐn)慎型的則相反。
未來(lái)，胡林研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)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(jìn)行更精確的安全及能耗預(yù)測(cè)，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(shí)，胡林研究團(tuán)隊(duì)還會(huì)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(gè)組件的充放電及動(dòng)力輸出特性，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)能量管理對(duì)新能源汽車駕駛員以及周圍實(shí)時(shí)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(jìn)一步提高新能源汽車的綜合性能。
長(zhǎng)沙理工大學(xué)胡林教授牽頭的“車輛安全與智能化研究團(tuán)隊(duì)”，正是瞄準(zhǔn)新能源智能汽車安全與能耗關(guān)鍵技術(shù)，深入開(kāi)展新能源汽車動(dòng)力電池安全與儲(chǔ)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(jià)值的研究成果，讓新能源汽車“心臟”更加健康、更加強(qiáng)勁。
“預(yù)熱跑”為電池降溫
在大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用中，動(dòng)力電池的安全性能是影響新能源汽車的核心競(jìng)爭(zhēng)指標(biāo)。誘發(fā)電池安全問(wèn)題的原因很復(fù)雜，其中溫度過(guò)熱失控導(dǎo)致燃燒是電池安全核心問(wèn)題之一。
“正如心臟不是單一結(jié)構(gòu)一樣，動(dòng)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(xì)胞一樣既緊密聯(lián)系又各自工作。外力撞擊、過(guò)充過(guò)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(gè)電芯溫度過(guò)高，還會(huì)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(guò)電池管理系統(tǒng)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)外，還包括諸如用風(fēng)扇進(jìn)行散熱，或用冷卻液帶走過(guò)高熱量等。
但問(wèn)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(guò)高時(shí)則效果不佳。相比起來(lái)，在動(dòng)力電池周圍加裝管道回路，冷卻液體在管道內(nèi)勻速流動(dòng)降溫的方法散熱更均勻、效果更好。
“美中不足的是這個(gè)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(dòng)一圈就像通過(guò)人從起點(diǎn)繞田徑跑道勻速跑一圈。
“就像人起跑的瞬間過(guò)慢，不能立刻達(dá)到規(guī)定速度一樣，管道中冷卻液的初始流速過(guò)低，也不能馬上達(dá)到響應(yīng)速度。” 胡林說(shuō)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，胡林研究團(tuán)隊(duì)建立了一種新型電池?zé)岚踩抡婺Ｐ?，通過(guò)電池管理系統(tǒng)預(yù)測(cè)電池溫度。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)限值時(shí)，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(shí)間的人，先在起點(diǎn)預(yù)熱跑動(dòng)起來(lái)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(diǎn)那部分長(zhǎng)得多，所以整體速度會(huì)降低。”胡林表示。
最終，胡林研究團(tuán)隊(duì)在不增加動(dòng)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(zhǎng)了動(dòng)力電池?zé)崾Э貍鞑ラg隔，達(dá)到防止因電池迅速燃燒而產(chǎn)生安全事故的目的。
個(gè)性化“混搭”延長(zhǎng)電池壽命
胡林研究團(tuán)隊(duì)在電池安全與儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究并不止于此，他們還對(duì)降低電池?fù)p耗、延長(zhǎng)續(xù)航能力方面進(jìn)行了研究。
為了延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命，可以搭配超級(jí)電容器組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。超級(jí)電容器的充電速度是鋰離子電池的10倍左右，且不畏嚴(yán)寒、高功率密度、較高安全性，能很好地滿足人們對(duì)頻繁加減速的需求。
但是搭配超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，就像給心臟注入了強(qiáng)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(jí)電容器發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，是一大難題。
“關(guān)鍵是要解決當(dāng)前混合儲(chǔ)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(diǎn)入手？”胡林研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)采集了不同駕駛員的行駛數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)激進(jìn)型、謹(jǐn)慎型和標(biāo)準(zhǔn)型三類不同的駕駛風(fēng)格行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)每種風(fēng)格對(duì)能量分配的影響。
“我們發(fā)現(xiàn)，激進(jìn)型的駕駛員需要電池提供更多的電能以及功率；反之，謹(jǐn)慎型的則沒(méi)有太多需求。”團(tuán)隊(duì)成員田慶韜說(shuō)道。
在此基礎(chǔ)上，胡林研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)了適應(yīng)多種模式的能量分配方式的執(zhí)行控制器，通過(guò)系統(tǒng)針對(duì)駕駛風(fēng)格和電池狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)化能量分配，有效延長(zhǎng)了續(xù)航能力和鋰離子電池壽命，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jìn)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(tuán)隊(duì)成員還結(jié)合實(shí)時(shí)交通信息，進(jìn)一步針對(duì)不同駕駛風(fēng)格對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量分配進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)激進(jìn)型駕駛風(fēng)格更注重電動(dòng)汽車的動(dòng)力性，電機(jī)的需求功率大且加減速度最大。謹(jǐn)慎型的則相反。
未來(lái)，胡林研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)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(jìn)行更精確的安全及能耗預(yù)測(cè)，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(shí)，胡林研究團(tuán)隊(duì)還會(huì)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(gè)組件的充放電及動(dòng)力輸出特性，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)能量管理對(duì)新能源汽車駕駛員以及周圍實(shí)時(shí)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(jìn)一步提高新能源汽車的綜合性能。
