鋰離子動力電池包熱管理系統研究與方案設計

滕峻林 申慧君 劉淑香 王競

摘 ? 要：動力電池是純電動汽車的唯一動力源，鋰離子電芯因自身的優點已成為目前設計純電動汽車主要使用的電芯。鋰離子電池的性能受溫度的影響很大，當溫度過高或過低時，會減少電池的使用壽命和車輛的續航里程。文章以純電動汽車鋰離子動力電池包為研究對象，通過對動力電池組產熱機理的研究，對動力電池包溫度控制方案進行設計。

關鍵詞：鋰離子動力電池包;熱管理系統;方案設計

動力電池是全地形純電動賽車唯一的動力源，工作性能的好壞直接影響整車的使用性能。目前，全地形純電動賽車使用最多的是鋰離子動力電池，鋰離子電池的性能受溫度的影響很大。當溫度過高時，電池組的極化加劇、不可逆物質生成加快等，這些副反應會減少電池的使用壽命;電池組溫度過低時，會導致電池組內阻增加、充放電容量減少等，影響電池的使用壽命和車輛的續航里程[1]。

因此，通過研究鋰離子動力電池的生熱機理，優化動力電池包的結構，并設計高效的熱管理系統是非常必要。

1 ? ?鋰離子電池生熱機理

鋰電池在進行充放電時，電子和鋰離子動作過程中產生的熱量稱為反應熱，在可逆反應中，電池在充電和放電條件下，上述反應熱是相等的，符號是相反[2-3]，記為Qr。根據熵增原理，在實際進行充放電時，上述情況是不可能發生的，所以還會有極化反應產生的極化反應熱Qp，過充過放引起的副反應，電解質分解及自放電生成的熱量，記為Qs。電池內阻在充放電過程中產生的焦耳熱Qj。在實際的充放電過程中將其生成的熱量記為Qt，則可有如下關系式：

Qt=Qr+Qp+Qs+Qj （1）

在實際充放電過程，由于電池管理系統作用，會防止電池出現過充、過放的現象，Qs中的自放電因素熱量生成量微乎其微，故Qs可以忽略不計，另外可以利用等效極化內阻產生的熱量代替極化熱[4]，所以，電池充放電反應的生熱量可以做進一步簡化：

Qt=Qr+I2R（2）

式（2）中：R=Rz+ Rp，Rz是電池本身的歐姆內阻。

電池內阻R在充放電過程是不斷變化的，這是因為電池的溫度、電極活性物質及電解液的質量濃度都在不斷地變化，放電深度的大小決定了在放電過程中電流密度的大小，電流密度的大小很大程度上決定了極化內阻的大小，所以可以利用放電深度來表達電池內阻[4]。

通過以上研究發現，鋰離子電池只有工作在適合的溫度范圍才能使充放電性能、使用壽命、安全性能等最佳。鋰離子電池的最佳工作溫度范圍在25～30 ℃之間[5]，電動汽車使用的環境溫度一般在-30～60 ℃，所以，對于如何保持鋰離子電池工作在適合的溫度條件下提出了嚴峻的挑戰。

2 ? ?鋰離子電池熱管理系統總體方案設計

方案中主要的模塊有電池熱管理系統、電池箱、PTC加熱器、散熱風機、顯示屏、負載、PTC加熱器、散熱風機等（見圖1）。電池管理系統采集電池箱中的20串單體電池的電壓，用于檢測單體電池的電壓狀態并計算電池組的電池荷電狀態（State of Charge，SOC）、電池剩余電量（State of Energy，SOE）等值，作為間接反映溫度對鋰離子電池工作性能影響的指標之一。電池管理系統采集電池箱中4路溫度信號，用于監控電池箱內溫度變化，當溫度過高時起動風機散熱，過熱時切斷電源;當溫度過低時，不允許電池充放電起動PTC加熱器對電池加熱;當負載超負荷時，不允許電池組放電。

3 ? ?系統硬件設計

如圖2所示，鋰離子動力電池熱管理系統的硬件電路主要包括單片機最小系統、電池箱、電池單體、單體電池和電池組電壓采集模塊、溫度傳感器、散熱風機驅動模塊、PTC加熱驅動模塊、散熱風機、PTC加熱器、藍牙模塊、顯示屏等。

加熱子系統采用PTC加熱，對電池包內部的每個串聯的電池組的上表面、下表面和側面均鋪設PTC加熱膜，對于電磁組下表面的加熱器與箱底之間加裝絕緣層，在提高鋰離子單體電池加熱效果的同時保證安全性。

散熱子系統采用并行通風和水冷相結合的混合冷卻方式，能最大程度增加每塊單體電芯的冷卻效率。

4 ? ?系統充放電高溫、低溫控制策略

鋰離子熱管理系統的目標是要實現電池箱溫度的控制，當溫度過高時，對電池單體進行冷卻，如果溫度持續升高，不能及時冷卻，則進行斷路保護。當溫度過低時，對電池單體進行升溫，如果溫度持續降低，不能及時升溫，則進行斷路保護。鋰離子電池的使用狀態主要有充電狀態和放電狀態，根據要實現的總目標，本系統制定了總體的電池箱高、低溫控制策略，如圖3所示。

5 ? ?結語

通過研究鋰離子動力電池的生熱機理，發現鋰離子動力電池的熱量主要由4部分組成，即Qr，Qp，Qs，Qj。為了使鋰離子單體電芯工作性能最佳，設計了鋰離子電池熱管理系統總體方案，進一步細化了系統的溫度采集單元、加熱子系統和散熱子系統的硬件設計，制定了系統充放電高溫、低溫控制策略，電池箱溫度信息采集策略。通過合理的溫度采集點選擇，優化的加熱系統和散熱系統設計，實現了鋰離子動力電池包熱管理系統設計。

[參考文獻]

[1]LIU Y，YUAN W Z，CHANG H L，et al.Compact thermoelectric coupled models ?of micromachined thermal sensors using trajectory piecewise-linear model order reduction[J].Microsystem Technologies，2014（1）：73-82.

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[3]NOBORU S.Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J].Power Sources，2001（99）：70-77.

[4]內田隆裕.OHM圖解：電池[M].郭成言，譯.北京：科學出版社，2004.

[5]姜久春，王戰國.電動汽車動力電池應用技術[M].北京：北京交通大學出版社，2004.