深度混合動力轎車動力合成系統(tǒng)的熱平衡研究

孫哲浩

摘 要：新能源汽車的三大核心技術(shù)電機、電池、電控中結(jié)合新材料、新技術(shù)的動力電池，作為新能源汽車的動力來源，是車輛動力性、舒適性、安全性的最終保證。當前的純電動汽車在續(xù)航性能來說，性價比還不能盡如人意，在當前技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈形勢下，混合動力汽車則是一條有效途徑。同時，新能源汽車的動力電池和內(nèi)燃機的熱管理系統(tǒng)，對未來新能源混合動力汽車設(shè)計有著重大的意義。

關(guān)鍵詞：混合動力；熱管理系統(tǒng)；新能源；HEV TMS

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-07-03

Abstract： The three core technologies of new energy vehicles Power batteries that incorporate new materials and new technologies in motors， batteries， and electronic controls are the power source for new energy vehicles and are the ultimate guarantee for vehicle dynamics， comfort， and safety. Current pure electric vehicles are not as cost-effective in terms of endurance performance. Under the current situation of technology and industry chain， hybrid vehicles are an effective way. At the same time， the thermal management system of the power battery and the internal combustion engine of new energy vehicles will have great significance for the future design of new energy hybrid vehicles.

Keywords： hybrid； thermal management system； new energy； HEV TMS

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-07-03

前言

從全球能源來看，新能源汽車是人們找到的一個行之有效的解決全球性能源危機的良好方案。從全球經(jīng)濟形勢來說，新能源汽車背后所帶動的整個新型產(chǎn)業(yè)鏈，涉及新材料，包含動力電池、新型極板材料等；從全球環(huán)境來看，新能源汽車低碳零排放電池無害化處理，將為全球性的環(huán)境危機帶來曙光。我國近年來汽車市場的蓬勃發(fā)展，帶動了一批本土企業(yè)的崛起，像比亞迪、廣汽傳祺、吉利汽車、長城汽車等。數(shù)據(jù)顯示，2015年我國汽車保有量達1.5億輛，預(yù)計2020年汽車保有量將達到2億輛大關(guān)，傳統(tǒng)能源汽車帶來的諸多環(huán)境問題，將使新能源汽車獲得一展拳腳的舞臺。

1 發(fā)展背景

汽車用動力電池應(yīng)具有較高的能量密度以及輸出功率，一般應(yīng)用在電動車輛、電動工程工具上；或者作為發(fā)電、電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰補充裝置等。

回望動力電池的發(fā)展歷程，在實踐中應(yīng)用最早的是鉛酸蓄電池，其采用二氧化鉛作為正極材料、金屬鉛作為負極材料、硫酸溶液的電解液。這種電池具有成本低、技術(shù)成熟的優(yōu)勢。但是其較低的能量密度和比功率，同時含有鉛元素，對環(huán)境不友好等因素限制了它的發(fā)展。

鉛蓄電池總的化學方程式為：

另一種應(yīng)用廣泛的是堿性鎳鎘電池，這種電池的正極材料使用的是氫氧化鎳，鎘粉作負極活性材料，電解液為氫氧化鉀溶液。這種電池與鉛酸蓄電池相比而，其比能量和比功率相對較高，易于密封，因此也更容易制造成免維護電池。不過它的諸多缺點也不容忽視，比能量和輸出功率仍舊不能滿足電動車的應(yīng)用要求，并且這種電池所具有的記憶效應(yīng)，這給鎘鎳電池的發(fā)展帶來瓶頸。鎘的有毒特性，對自然環(huán)境有害。在強調(diào)對環(huán)境友好的當下，是一個不容忽視的問題。

堿性鎳鎘電池化學方程式為：

充電陽極：2Ni（OH）2-2e—+2OH-==2NiOOH+2H2O

充電陰極：Cd（OH）2+2e-==Cd+2OH-

放電陽極：2NiOOH + 2H2O+2e-==2Ni（OH）2+ 2OH-

放電陰極：Cd+2OH--2e==Cd（OH）2

多年來，隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，具有諸多優(yōu)勢的金鎳氫動力電池應(yīng)運而生。這種電池的正極活性物質(zhì)為氫氧化鎳，由于貯氫合金的特性，因此用貯氫合金作負極活性物質(zhì)。與鎳鎘電池相比，電池同樣使用氫氧化鉀溶液為電解液。鎳氫電池具有更高的能量密度和比功率，可獲得更大的功率輸出，同時鎳氫電池沒有記憶效應(yīng)，它的充放電循環(huán)壽命與鎳鎘電池相似。其優(yōu)勢在于鎳氫電池對環(huán)境友好，是一種綠色環(huán)保型電池。此外，鎳氫電池具有與鎘鎳電池相同的開路和工作電壓等參數(shù)，可取代鎘鎳電池，易于大面積應(yīng)用推廣。

全球各大整車廠商紛紛發(fā)力新能源汽車，希望能在這一波技術(shù)奇點上有所突破，從而在這個領(lǐng)域占有一定的市場份額。美國的特斯拉定位電動跑車，其Modle系列采用的三元鋰電池，是新型電池方案之一；單體電池組合化也是新能源汽車的解決電池有效方案。新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，這使新能源汽車的動力電池的性能在不斷提高。雖然當下的動力電池能在一定程度上滿足城市車輛的一般需求，但是在其他諸多性能上還不能滿足實際需求。

2 熱平衡對混合動力的影響

2.1 溫度因素

新型電池的特點在于無污染無記憶，這種優(yōu)勢可以廣泛適用于各種新能源汽車。但新能源汽車的高頻率、大電流放電，在這種情況下出現(xiàn)的一些問題應(yīng)該引起重視，比如過放電現(xiàn)象所導致的動力電池溫度劇烈變化，從而影響電池的輸出性能。

2.2 單體電池一致性因素

即使嚴格、先進的工藝，在同一批生產(chǎn)的單體電池中也會存在著較大的差別，當打包成電池組時，單體電池的不一致特性會對這整個電池組的充放電性能有極大影響，從而影響新能源汽車的整體性能。

3 創(chuàng)新電池組分析

新型電池組的創(chuàng)新在于利用三維熱模型良好地解決了動力電池的熱平衡問題，同時在電池組充放電過程中對溫度環(huán)境進行控制，使之良好穩(wěn)定在10-30 攝氏度之間。這種由電解液流動性較差所導致的電解液對流換熱問題，以及動力電池內(nèi)部輻射對散熱的影響被良好的解決。在產(chǎn)品材料上，使用介質(zhì)均勻且密度相同的性能優(yōu)良材料，進行電池的制造，這也是一種有效的保證動力電池材料厚度相同的方案之一。在電池Cell的連接方式上進行導熱系數(shù)計算，從理論上保障電池Cell比熱容與導熱效率的一致性。最后進一步利用非穩(wěn)態(tài)傳熱能量守恒公式檢驗動力電池充放電性能，避免動力電池受剩余電量（SOC）值的影響。

單體電池的工作環(huán)境，如放電電流、充電電流、充電電壓、充放電壓、環(huán)境溫度、濕度都會對電池組產(chǎn)生影響。較穩(wěn)定的電網(wǎng)環(huán)境會保障動力電池穩(wěn)定的充電電壓和電流，從而延長使用壽命，并為汽車可靠運行提供強有力的保障。保持動力電池充電時電流的穩(wěn)定性以及后期電池之間的相互可靠傳輸都對新型混合動力的新能源汽車的正常重要意義。

4 電池熱平衡管理系統(tǒng)（BMS）

電池熱平衡管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）的主要設(shè)計目的是使電池組在合適的溫度范圍內(nèi)工作，實時將車輛各種即時車況，提供給整車控制系統(tǒng)，使車輛工作在最佳狀態(tài)，提高車輛整體性能。根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。電池熱平衡管理系統(tǒng)主要監(jiān)測電池剩余電量soc、溫度等參數(shù)、電池狀態(tài)估計、自動熱均衡、充放電控制、電池熱管理等。

動力電池的熱平衡管理相關(guān)問題影響其使用性能、使用壽命、使用使用成本和安全性。溫度的變化對鋰離子動力電池的整體性能有著重大的影響。諸如電池的功率、容量、充放電性能、充放電安全性和使用壽命等。溫度較低時，電池的極板、電解液活性降低，化學反應(yīng)減緩，電池soc迅速衰減，在過低溫度下（如低于0℃）對電池進行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現(xiàn)象，造成內(nèi)部析鋰并進而引發(fā)短路。其次，鋰離子電池在過充情況下會有鼓漲，甚至爆炸的可能。另外，鋰離子電池的工作或者存放溫度影響其使用壽命。電池的合適溫度在10-30度之間，過高或過低的溫度，都將引起電池的性能衰減。電池包和單體電池的溫度不均勻使局部溫度過高或者過低造成電池一致性降低，從而影響整個電池包的對外放電性能。

混合動力汽車電池熱平衡管理系統(tǒng)主要包含以下幾個方面：（1）當電池組溫度超過或合適的工作溫度時，能有效提高和降低溫度，保證合適的工作環(huán)境，提高動力電池充放電性能。（2）確保電池組整體溫度的一致性，提高單體電池的一致性。（3）準確監(jiān)控動力電池的溫度、剩余電量。保持這種環(huán)境一般有4種行之有效的方案，其一風冷，其二人工強制風冷、其三水冷、其四冷卻相變材料。伴隨著新材料技術(shù)的不斷革新，會出現(xiàn)更多能夠為混合動力汽車熱平衡提供更有效的合理方案。

5 結(jié)語

混合動力汽車動力電池組的熱管理系統(tǒng)對整個汽車的使用都具有極其重要的影響，研究電池的熱安全性，提高電池組的熱效率，增加電池組的一致性可以較好的保障新能源動

力汽車的使用以及壽命。其次研究動力電池的熱性能方面的問題建立相應(yīng)的仿真模型，增加更方面的放電頻率，對動力電池組進行冷卻分析，并進行相應(yīng)的優(yōu)化政策，對動力電池組模型進行不同情況下的模擬驗證，以確定最適應(yīng)三維熱模型的各方面要求，尋找最適合新能源汽車的動力電池溫度以及放電電流，研究適合混合動力汽車動力的電池組正負極材料以及正負極空隙率和有效接觸面積，嚴謹動力電池的制作水平，以便于更好的投入到實際生產(chǎn)應(yīng)用中去。

參考文獻

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