電動汽車電池熱管理系統研究

謝世濱

摘 要：電動汽車相比起傳統的燃油汽車具有更加清潔、更加高效的特點。電池的工作性能很大程度上決定了電動汽車的工作性能，而電池使工作性能又與環境溫度有關，為了進一步提升電動汽車的安全性和使用性能，需要重點做好電池熱管理系統的研究工作。因此，本文對動力電池組熱管理系統的具體功能和必要性進行了詳細的介紹。

關鍵詞：熱管理;溫度;電池;電動汽車

電動汽車所使用的電池在運行狀態下，由于內部的焦耳效應和電化學反應會產生一定的熱量，致使電池內部溫度不斷發生變化。安裝于電池包中的動力電池由于受制于電池包的安裝位置與內在結構，電池組很難在較短時間內自行散熱。另外，處于變化狀態下的外界環境也會對電池的溫度造成直接影響。通常情況下，電池受到溫度變化的影響可總結為以下幾點：（1）使用壽命;（2）運行可靠性;（3）充放電效率;（4）自放電。由此可知，電動汽車的使用壽命、可靠性和使用性能很大程度上會受到溫度的影響。而電池溫度又與各種外界因素和自身因素有關，在設計電動汽車的過程中，設計者應當提高對于電池組熱管理的重視力度，使電池在適宜的溫度下運行，確保電動汽車在行駛的過程中維持安全可靠。

1 電動汽車電池組熱管理系統

1.1 電池組熱管理的必要性

對于電動汽車來說，電池是十分重要的儲能單元，并且與汽車的整體性能有著十分密切的關系，有必要對電池組的溫度進行有效的管理。電池組熱管理的必要性可以歸納為以下幾點：（1）電池組的熱管理和熱監控與整車運行的安全性密切相關;（2）若電池包內溫度不均勻，將會直接造成各單體電池、保持模塊之間性能上的差異;（3）若電池在比較惡劣的溫度環境下持續運轉，將會大幅縮短電池使用壽命、降低電池充放電容量與功率。

1.2 電池組熱管理系統的功能

電池組熱管理系統具體包括監測控制設備、傳熱介質以及電池箱等部件，能夠對電池組運行狀態下的溫度進行有效的控制。

電池組熱管理系統的具體功能主要包括以下幾點：（1）避免電池因熱失控而出現爆炸或失效的危險;（2）在電池溫度過低的情況下能夠起到良好的保溫作用并具有快速加熱功能;（3）維持電池包溫度均衡，防止由單體電池之間的性能差異影響整車的運行性能。

2 電池熱管理系統的設計要點

2.1 確定電池最優工作溫度范圍

在不同的車輛運行工況下和不同的氣候條件下，電池溫度也會呈現較大的變化。采用熱管理技術對電池溫度進行控制，首先應當對電池最佳的使用環境溫度進行判斷。

對電池溫度特性進行分析是明確電池最優使用溫度的主要手段。電池的溫度特性具體指的是在不同溫度下，電池充放電效率、SOC、開路電壓和內阻的表現情況。針對電池溫度特性的分析可以通過仿真和實驗兩種方法進行探究。實驗測量方法的優勢在于分析結果相對精確，能夠將電池的真實特性反映出來，缺點在于耗時長并且工作量大。若通過專業軟件進行仿真分析，也能夠一定程度上將電池溫度特性反映出來，但準確性相對較低。

2.2 電池熱場計算及溫度預測

電池本身的散熱性能較差，若單純依靠溫度傳感器對電池表面溫度進行測量無法將電池內部的熱狀態充分反映出來。借助數學計算模型對電池內部溫度場進行計算，能夠對其內部的熱行為進行預測，是對電池組熱管理系統進行設計的重要環節。

對于鋰離子電池來說，若要計算其內部溫度場，可以通過以下公式進行計算：

上市將溫度記為T，將平均密度記為ρ，將電池比熱記為Cρ，將電池在x、y、z三個方向上的導熱率分別記為kx、ky、kz;將單位體積生熱速率即為q;利用專門的量熱計能夠獲取電池生熱速率，再通過有限元法對電池的溫度場進行計算。

2.3 傳熱介質的選擇

電池熱管理系統一般情況下所采用的傳輸介質通常包括相變材料、液體以及空氣等。

其中最簡單的方式為空氣冷卻，利用氣流對電池表面進行散熱處理，其應用優勢在于以下幾點：（1）成本相對較低;（2）在電池產生有害氣體的情況下可以起到通風效果;（3）不存在漏液問題;（4）重量相對較輕并且結構簡單。空氣冷卻的缺點在于加熱、冷卻速度較慢，換熱系數較低。

液體冷卻具體包括直接接觸和非直接接觸兩種方式。直接接觸傳熱介質，通常以礦物油為主，非直接接觸傳熱介質主要包括防凍液和水兩種。對電池進行液體冷卻一定要設置專門的換熱設施，但卻一定程度上影響了換熱效率。液體冷卻的應用優勢可歸納為以下幾點：（1）體積相對較小;（2）加熱、冷卻速度較快。其應用劣勢主要包括：（1）結構相對復雜，并且需要設置換熱器、水套等部件;（2）保養和維修復雜;（3）存在漏液的可能。

相變材料冷卻方法能夠對外界的熱量進行直接吸收，該技術的應用優點主要在于能夠延緩電池的溫升速率，在一定條件下進行溫度控制，缺點在于成本較高且需要配合其他冷卻系統使用。

2.4 溫度傳感器的數量判斷

溫度測量的全面性與傳感器數量成正比，但系統成本也會相應的增加。尤其是在長時間運行狀態下，溫度傳感器也可能會出現故障。因此，熱管理系統中所設置的傳感器數量應當盡量充足。在涉及熱管理系統的過程中，設計者需要依照具體的散熱需求對溫度傳感器的數量進行有針對性的調整。

由于電池包內電池組溫度分布不均勻，需要通過實時多點溫度監測、紅外熱成像技術或有限元分析的方法對單體電池、電池模塊和電池組的熱場分布進行測量與分析，對測量點的數量進行判斷，并分析出測量點的最佳位置。在設計電池熱管理系統的過程中，設計者應當確保溫度傳感器與冷風完全隔離，保證溫度測量結果的穩定性與準確性。

2.5 加熱系統功率和風機功率的選擇

若電池熱管理系統以空氣為傳熱介質，則需要通過流體力學、理論計算以及實驗等方法來對風機功率進行合理性的選擇。在流動阻力較小的情況下，可以采用離心式風扇。

3 電池包的設計

對于電池熱管理系統來說，電池包的設計工作是一項十分重要的內容，電池熱管理系統的工作效率、安裝與選型均與電池包的設計有著十分密切的關系。在著手設計電池包之前，設計者應當對車內各種部件的空間需求進行充分的考慮，并結合具體的電池數目、冷卻方式進行綜合設計。通過ANSYS等軟件分析電池包的熱特性。依照分析結果對電池包結構進行有針對性的改進。若電池包采用空氣冷卻技術，可以通過FLUENT等流體分析軟件來分析其流體力學，根據分析結果設計風道。

4 空氣冷卻技術應用的注意事項

由于空氣冷卻技術成本低廉，在我國電動汽車發展的初級階段，該技術必然會得到廣泛的應用。因此，本文對空氣冷卻技術應用的相關注意事項進行了詳細的介紹。

從冷卻方式的角度可以將空氣冷卻劃分為強迫空氣冷卻和自然對流冷卻兩種方式;從電池通風方式的角度可以將空氣冷卻劃分為并行和串行兩種方式。

自然對流冷卻指的是通過在汽車行駛狀態下所產生的空氣對流來冷卻電池組，這種方法成本較低并且簡單易行，但對于電池封裝設計和電池形狀設計有著較高的要求，需要通過特殊的結構設計與材料選型來增加電池散熱能力。強迫空氣冷卻技術所使用的冷風來自于汽車自帶的蒸發器，即利用風扇對電池實施冷卻處理，通常在排氣通道出口位置安裝風扇。

在串行通風冷卻方式下，冷卻效果并不均勻，會使電池表面溫度存在差異。而并行通風方式會使單體電池間的溫度更加均勻，但卻需要對集流板的傾斜角度和電池間通道的間距進行合理化的設計，以確保冷風流速均勻。

5 結束語

當前我國已經進入到新能源汽車發展的關鍵階段，如何提高電動汽車的使用性能已經成為相關企業十分重要的研究課題之一。現階段我國在電動汽車技術方面的研究，應當重點集中在電池性能方面，對電池散熱性能進行優化與改良是最具核心地位的工作內容。設計要求相關企業不斷加強專業理論知識的應用水平，對以往的設計經驗進行不斷的總結與分析，最大程度上提升電池組熱管理系統的技術含量。

參考文獻：

[1]靳鵬超，王世學.一種使用相變材料的新型電動汽車電池熱管理系統[J].化工進展，2014，3310：2608-2612.

[2]洪思慧，張新強，汪雙鳳，張正國.基于熱管技術的鋰離子動力電池熱管理系統研究進展[J].化工進展，2014，3311：2923-2927+2940.

[3]李頂根，辛克偉，雷冬旭.純電動汽車電池組熱管理系統的分析與優化[J].汽車工程學報，2012，205：354-358.

[4]司康.電動汽車核心技術之動力電池及管理系統介紹（三）——電池管理系統及其關鍵技術[J].輕型汽車技術，2012，Z4：31-36.

[5]焦敏，趙治國，陳祥.混合動力汽車用電池熱管理系統的設計與研究[J].應用能源技術，2018，10：1-4.

[6]宋軍，夏順禮，趙久志，張寶鑫，陽斌，秦李偉.用Icepak軟件分析并驗證某純電動轎車電池組熱管理系統[J].汽車工程學報，2013，303：169-174.