電動汽車動力電池組熱管理系統(tǒng)研究

楊國勝

摘 要：相比較傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車具有更加高效、更加清潔的優(yōu)點(diǎn)。電動汽車工作性能的好壞很大程度上取決于電池的工作性能。溫度作為影響電池工作性能的重要因素，對電動汽車的使用性和安全性有著非常大的影響。在簡要?dú)w納動力電池組熱管理必要性和系統(tǒng)功能的前提下，從電池最優(yōu)工作溫度范圍、熱場計算、溫度傳感器布置、風(fēng)機(jī)功率選擇和電池包設(shè)計等幾個方面介紹了動力電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)，并對不同冷卻方式進(jìn)行對比分析，為后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：電動汽車 電池 溫度 熱管理

中圖分類號：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0178-03

Research On Electric Vehicle Battery Thermal Management System

Yang Guosheng

（Shaoxing Traffic Police Detachment，Shaoxing Zhejiang，312000，China）

Abstract：Compared with the traditional fuel vehicle，electric vehicle had advantages on more effective and more clear.The electric vehicle's performance was mostly decided by battery's performance.As the main influence factor of battery's performance，battery temperature had significant effect on electric vehicle's usability and safety.On the basis of briefly summarizing the necessity and function of power battery thermal management system，this paper introduced the key design points of battery thermal management system from optimum operating temperature range，heat field calculation，temperature sensor decorate，fan power selection and battery pack design.Then analyzed different cooling systems，provided a reference for further research.

Key Word：Electric vehicle；Battery；Temperature；Thermal management

電動汽車較傳統(tǒng)燃油汽車更加清潔、高效。電動汽車工作性能很大程度上取決于電池的工作性能。電池在工作過程中，由于內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)和焦耳效應(yīng)產(chǎn)生熱量，使得電池內(nèi)部的溫度不斷發(fā)生變化。而在結(jié)構(gòu)上，電動汽車用動力電池是成組安放在電池包中的，受制于電池包的結(jié)構(gòu)和安裝位置，電池組自身輻射散熱困難，單體電池間溫度不均衡嚴(yán)重。同時，外界氣溫的變化也會直接引起電池溫度的變化。因此，電動汽車動力電池溫度是一個時變系統(tǒng)。一般情況下，溫度對電池的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）內(nèi)阻、開路電壓、SOC；（2）充放電效率；（3）可靠性；（4）使用壽命。可見，電池溫度對電動汽車的使用性能、可靠性和使用壽命有很大影響。總之，電池溫度受自身和外界等多方面的影響，會影響電動汽車的正常工作。在電動汽車設(shè)計階段，我們需要考慮對動力電池組進(jìn)行合理的熱管理，使電池工作在合適的溫度，從而保證電動汽車的合理運(yùn)行。

1 電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)

1.1 電池組熱管理的必要性

電池作為電動汽車的主要能量存儲單元，其性能直接影響到電動汽車整車性能。對電動汽車電池組進(jìn)行熱管理是必要的，原因在于：（1）電池組長時間工作在較惡劣的熱環(huán)境下，將降低電池放電容量、縮短電池使用壽命；（2）電池包內(nèi)溫度場的不均勻分布將加劇各電池模塊、單體電池性能之間的不一致性；（3）電池組的熱監(jiān)控和熱管理對整車安全運(yùn)行具有重要意義。

1.2 電池組熱管理系統(tǒng)的功能

電池組熱管理系統(tǒng)是用來確保電池組工作在適宜溫度范圍的整套系統(tǒng)，包括電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測控制設(shè)備等部件。

電池組熱管理系統(tǒng)有如下幾項(xiàng)主要功能[1]：（1）保證電池包內(nèi)溫度均衡，避免電池間的不一致而降低性能；（2）電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)；（3）電池組溫度過低時的快速加熱和保溫；（4）有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)；（5）消除因熱失控造成的電池失效或爆炸危險。

2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)

2.1 確定電池最優(yōu)工作溫度范圍

在不同的氣候條件、不同的車輛運(yùn)行工況下，電池的溫度會出現(xiàn)很大差異。對電池組進(jìn)行熱管理的最終目的就是為了使電池工作在最優(yōu)的溫度范圍，因此在進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計時首先需明確電池最優(yōu)工作溫度范圍。

了解電池的溫度特性是確定最優(yōu)工作范圍的先決條件。電池的溫度特性是指電池工作在不同溫度下，其內(nèi)阻、開路電壓、SOC、充放電效率的表現(xiàn)情況[2]。電池的溫度特性可以通過實(shí)驗(yàn)和仿真兩種方法獲得，如果采用實(shí)驗(yàn)測量的方法來確定電池的溫度特性，結(jié)果精確，反應(yīng)電池的真實(shí)特性，但工作量大，耗時長；如果利用如ADVISOR等軟件仿真，時間短，一定程度上能夠反應(yīng)電池的溫度特性。某型60AH鎳氫電池在不同溫度下的充放電效率如圖1所示，我們可以發(fā)現(xiàn)在溫度高于40 ℃或低于0 ℃的情況下，充放電效率顯著下降，因此我們應(yīng)該至少維持電池的工作溫度范圍在0～40 ℃之間，同時綜合溫度對內(nèi)阻、開路電壓、SOC的影響來確定最優(yōu)工作范圍。一般而言，電池最優(yōu)工作范圍大致在25 °～40 ℃。

2.2 電池?zé)釄鲇嬎慵皽囟阮A(yù)測

電池不是熱的良導(dǎo)體，僅通過溫度傳感器測量電池表面溫度分布不能充分說明電池內(nèi)部的熱狀態(tài)。通過數(shù)學(xué)模型計算電池內(nèi)部的溫度場，可以預(yù)測電池內(nèi)部的熱行為，對于設(shè)計電池組熱管理系統(tǒng)是必備的環(huán)節(jié)。

鋰離子電池的內(nèi)部溫度場計算可以利用式（1）所示的三維數(shù)學(xué)模型：

（1）

式中為溫度；為平均密度；為電池比熱；、、分別為電池在、、三個方向上的熱導(dǎo)率；q為單位體積生熱速率。通過選擇專門的量熱計可以得到電池的生熱速率，而利用有限元的方法可以得出電池在不同方向的熱導(dǎo)率。

2.3 傳熱介質(zhì)的選擇

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通常采用的傳熱介質(zhì)包括空氣、液體以及相變材料等。

空氣冷卻是最簡單方式，只需讓空氣流過電池表面。空氣冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)在于[3]：（1）結(jié)構(gòu)簡單，重量相對較小；（2）沒有發(fā)生漏液的可能；（3）有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(fēng)；（4）成本較低。缺點(diǎn)在于其與電池壁面之間換熱系數(shù)低，冷卻、加熱速度慢。

液體冷卻分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。礦物油可作為直接接觸傳熱介質(zhì)，水或者防凍液可作為典型的非直接接觸傳熱介質(zhì)。液體冷卻必須通過水套等換熱設(shè)施才能對電池進(jìn)行冷卻，這在一定程度上降低了換熱效率。液冷方式的主要優(yōu)點(diǎn)有[4]：（1）與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻、加熱速度快；（2）體積較小。主要缺點(diǎn)有：存在漏液的可能；重量相對較大；維修和保養(yǎng)復(fù)雜；需要水套、換熱器等部件，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

相變材料冷卻是一種較為新型的冷卻方法，相變材料可以直接吸收來自外界的熱量，從而對電池冷卻降溫。相變材料冷卻結(jié)構(gòu)簡單，效率較高，但成本較高。

2.4 溫度傳感器數(shù)量和測溫點(diǎn)的選擇

溫度傳感器數(shù)量越多，溫度測量越全面，但會同時也會增加系統(tǒng)成本。考慮到溫度傳感器在長時間的工作過程中有可能出現(xiàn)故障，故整個系統(tǒng)中溫度傳感器的數(shù)量不能太少。在熱管理系統(tǒng)設(shè)計時，可以根據(jù)具體的需求來調(diào)整溫度傳感器的數(shù)量。

電池包內(nèi)電池組的溫度分布一般是不均勻的，理論上利用有限元分析、試驗(yàn)中利用紅外熱成像或者實(shí)時的多點(diǎn)溫度監(jiān)測的方法可以分析和測量電池組、電池模塊和單體電池的熱場分布，決定溫度測量點(diǎn)的數(shù)目，找出不同區(qū)域最佳的溫度測量點(diǎn)。同時在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)保證溫度傳感器不被冷風(fēng)吹到，以提高溫度測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.5 風(fēng)機(jī)功率和加熱系統(tǒng)功率的選擇

對于以空氣作為傳熱介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，風(fēng)機(jī)功率選擇的是否合理會影響系統(tǒng)的工作效率。可以用實(shí)驗(yàn)、理論計算和流體力學(xué)的方法通過估計壓降、流量來估計風(fēng)機(jī)的功率消耗。當(dāng)流動阻力小時，可以考慮選用軸向流動風(fēng)扇；當(dāng)流動阻力大時，離心式風(fēng)扇比較適合。同時也要考慮到風(fēng)機(jī)占用空間的大小和成本的高低。同樣對于加熱系統(tǒng)也需要根據(jù)相應(yīng)的需求來選擇合適的功率。

2.6 電池包的設(shè)計

電池包的設(shè)計對于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是非常重要的內(nèi)容，電池包的設(shè)計是否合理會直接影響到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的選型、安裝以及工作效率。在電池包設(shè)計之前需充分考慮整車以及其他器件如BMS的空間需求，并結(jié)合具體的冷卻方式、電池數(shù)目來綜合設(shè)計。利用ANSYS軟件對電池包的熱特性進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時對于空氣冷卻還可以利用FLUENT軟件進(jìn)行流體力學(xué)的分析，確定最佳的風(fēng)道設(shè)計。

3 幾種冷卻方式的比較

3.1 空氣冷卻

空氣冷卻按照冷卻方式分為自然對流冷卻和強(qiáng)迫空氣冷卻兩種方式，按照電池通風(fēng)方式分為串行和并行兩種冷卻方式。

自然對流冷卻利用汽車行駛時的強(qiáng)烈空氣對流來對電池組進(jìn)行冷卻，該方法簡單易行。但是為了有效冷卻，需要對電池形狀或電池封裝進(jìn)行特殊設(shè)計，或選用特殊的材料以使電池的散熱面積增大。強(qiáng)迫空氣冷卻利用輔助的或汽車自帶的蒸發(fā)器提供冷風(fēng)，通過安裝風(fēng)扇形成強(qiáng)制氣流來進(jìn)行冷卻，風(fēng)扇通常安裝在排氣通道出口位置，原理如圖2所示。

串行冷卻方式和并行兩種冷卻方式的區(qū)別在于通風(fēng)方式，原理分別如圖3、4所示。

從圖3、圖4我們可以看出串行通風(fēng)冷卻方式，空氣從左至右依次流經(jīng)各單體電池，空氣在流動過程中不斷被加熱，所以右側(cè)冷卻效果比左側(cè)差，電池包內(nèi)左右兩側(cè)電池因冷卻效果不同而存在溫度差。而并行通風(fēng)方式，空氣從電池包下端進(jìn)，流經(jīng)各單體電池間通道后從上端流出，因此單體電池間溫度更加均勻。但是并行通風(fēng)方式需要對電池間通道的間距以及集流板的傾斜角度進(jìn)行合理的設(shè)計，以找出流速均勻性最好的方案。

3.2 液體冷卻

液體冷卻以液體為傳熱介質(zhì)，示意圖如圖5所示。

液體冷卻利用水或冷卻液在水套內(nèi)的流動，帶走電池組產(chǎn)生的熱量，然后通過散熱器對冷卻液降溫，從而實(shí)現(xiàn)電池組溫度保持在合理的范圍。

液體冷卻相比較空氣冷卻，冷卻效果更好，同時對外界氣溫變化適應(yīng)性更好，但需專門設(shè)計水套，安裝散熱器，對車內(nèi)空間的要求更高。

3.3 相變材料冷卻

相變材料冷卻系統(tǒng)是在全封閉的模塊電池單體間充填相變材料，靠相變材料的熔化凝固潛熱來工作，利用制冷劑液體（水、液氨、液體氟利昂等）在低壓、低溫下的氣化過程或固體在低溫下的熔化過程或升華過程，向被冷卻的物體吸取氣化潛熱、熔化熱或升華熱，以達(dá)到冷卻的目的。同時它可以把放電時發(fā)出的熱以潛熱的形式儲存起來，在充電或在很冷的環(huán)境下工作時釋放出來，是最有效的散熱方式之一 。

4 結(jié)語

電動汽車動力電池的熱管理是一個綜合命題，涵蓋多個方面的內(nèi)容。不僅與電池管理系統(tǒng)有關(guān)，還與整車的機(jī)械設(shè)計、整車控制系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)。通過對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的合理設(shè)計，使得電池工作在合適的溫度范圍，不僅對電動汽車的使用性有重大的意義，而且對電動汽車的安全性是至關(guān)重要的，因此在電動汽車設(shè)計時一定要對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)充分重視，并合理設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

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