純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池溫度管理分析

任恒 呂寶占

摘 要：現(xiàn)階段我國(guó)純電動(dòng)汽車的研究浪潮十分激烈，而在這其中，鋰離子電池起到了十分重要的動(dòng)力源作用。但是鋰離子電池在應(yīng)用于純電動(dòng)汽車駕駛之際，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量嚴(yán)重影響鋰離子電池的應(yīng)用性能，甚至加劇電池使用壽命的縮減。因此對(duì)于純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池溫度散熱管理是電動(dòng)汽車研究領(lǐng)域普遍關(guān)注的重點(diǎn)。本文基于純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池溫度管理，提出改善動(dòng)力電池溫度管理質(zhì)量的策略與建議，望能夠?yàn)槲覈?guó)電動(dòng)汽車領(lǐng)域在動(dòng)力電池溫度管理上提供新的思路。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;鋰離子電池;動(dòng)力源;散熱管理;溫度管理

1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池溫度管理意義分析

眾所周知，動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力源，由于電池放電性能、充電性能、荷電保持能力、電池循環(huán)壽命、SOC、電壓以及電池安全性能很容易受到環(huán)境溫度的影響。尤其是對(duì)于純電動(dòng)汽車這樣龐大的行駛交通工具來將，對(duì)電池適應(yīng)溫度范圍的要求十分嚴(yán)格。Freedom CAR提出電動(dòng)汽車動(dòng)力電源系統(tǒng)的適應(yīng)溫度范圍應(yīng)當(dāng)在-30-52℃之間，顯然目前的純電動(dòng)汽車并沒有相應(yīng)的動(dòng)力動(dòng)力電池能夠滿足這一要求。市場(chǎng)上很多純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)溫度的控制比較單調(diào)，且存在很多缺陷。比如大部分采取自然冷卻的措施，這種降溫措施的效果顯然并不理想;一部分采取風(fēng)冷降溫，即應(yīng)用風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫，但是這種缺陷不僅成本高，且降溫不均勻;一部分應(yīng)用冷卻液降溫，但是由于部分冷卻液缺少流動(dòng)性，導(dǎo)致降溫效率不高;還有一部分降溫措施是基于控制動(dòng)力電池內(nèi)芯片溫度來達(dá)到動(dòng)力電池溫度管理的目的，但是很有可能存在一定的安全隱患。因此從現(xiàn)階段市場(chǎng)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀來看，構(gòu)建一套完善的動(dòng)力源控制系統(tǒng)，在純電動(dòng)市場(chǎng)領(lǐng)域有著十分可觀的應(yīng)用前景[1]。

2 以動(dòng)力電池能量管理系統(tǒng)改善溫度管理

從以往的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量管理系統(tǒng)來看，主要由上下、左右并列動(dòng)力電池包以及動(dòng)力電池包內(nèi)冷卻液管道、動(dòng)力電池包左右上下連接管道、相變材料等所構(gòu)建而成。本文針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量管理系統(tǒng)進(jìn)行一番改進(jìn)，即對(duì)動(dòng)力電池包內(nèi)冷卻液管道更換為發(fā)散狀結(jié)構(gòu)管道，這樣一來在冷卻液流動(dòng)中確保溫度的散發(fā)以及被吸收效率得到顯著提升，同時(shí)應(yīng)用交叉雙進(jìn)雙出的管道流動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保單體動(dòng)力電池溫度的穩(wěn)定性與均勻性。而相變材料的設(shè)計(jì)與選擇可以根據(jù)不同動(dòng)力電池在不同工作溫度下進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保這些動(dòng)力電池能夠在最為適宜的溫度環(huán)境中發(fā)揮最為優(yōu)異的動(dòng)力電池性能[2]。

2.1 冷卻液補(bǔ)償水箱

冷卻液在管道流動(dòng)中也會(huì)受到熱脹冷縮的影響，因此基于這種情況下應(yīng)用冷卻液補(bǔ)償水箱來為管道內(nèi)所流動(dòng)的冷卻液提供補(bǔ)償或吸收功能。當(dāng)冷卻液在吸收熱量而溫度過高之時(shí)體積會(huì)增加，從而多余的冷卻液可以流入補(bǔ)償水箱之中，而當(dāng)冷卻液溫度降低之時(shí)體積會(huì)顯著減少，此時(shí)可以從補(bǔ)償水箱中所儲(chǔ)存的冷卻液進(jìn)行補(bǔ)充。因此可以根據(jù)這個(gè)原理來實(shí)時(shí)檢測(cè)管道冷卻液的工作動(dòng)態(tài)。此外，在冷卻液材料選擇中，根據(jù)結(jié)合不同動(dòng)力電池的工作溫度來選擇最為合適的溫度配比，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量管理系統(tǒng)的冷卻液多以水/乙二醇為主，因此可以適當(dāng)改變水和乙二醇之間的配比來改變冷卻液凝固點(diǎn)。

2.2 節(jié)溫器

節(jié)溫器的作用是控制冷卻液流動(dòng)開關(guān)，如果動(dòng)力電池包溫度過低的情況下，可以通過關(guān)閉散熱器方向的冷卻液流動(dòng)通道來使冷卻液流入動(dòng)力電池包提升溫度;而動(dòng)力電池包溫度過高的情況下，可以通過打開散熱器方向的冷卻液流動(dòng)通道并關(guān)閉冷卻液加熱方向的流動(dòng)通道控制開關(guān)，而冷卻液在節(jié)溫器通道的控制則需要應(yīng)用到節(jié)溫器。

2.3 散熱器

應(yīng)用散熱器來為冷卻液提供降溫散熱措施，使冷卻液能夠迅速冷卻下來。實(shí)際上當(dāng)動(dòng)力電池包溫度處于正常情況下或者需要升溫的情況，散熱器處于工作靜止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)動(dòng)力電池包溫度較高而需要散熱的情況下，應(yīng)用散熱器來散熱，并與冷卻液的管道流動(dòng)進(jìn)行配合達(dá)到散熱的目的。

2.4 加熱裝置

加熱裝置的作用是為了提升管道流動(dòng)冷卻液溫度，由于動(dòng)力電池溫度過低很容易影響動(dòng)力電池性能，此時(shí)加熱裝置可以通過對(duì)冷卻液的加溫來提升冷卻液溫度，并通過水泵作用來流入動(dòng)力電池包起到升溫作用。

2.5 水泵

冷卻液的流動(dòng)需要?jiǎng)恿碓粗С郑玫膽?yīng)用可以為之提供動(dòng)力來源。當(dāng)動(dòng)力電池包溫度處于穩(wěn)定狀況時(shí)，管道內(nèi)的冷卻液會(huì)在其中處于自由流動(dòng)狀況;而當(dāng)動(dòng)力電池包溫度比較低且需要升溫的情況下，需要先應(yīng)用加熱裝置來提升冷卻液溫度，在水泵的作用下將加熱鍋的冷卻液輸入節(jié)溫器當(dāng)中，由節(jié)溫器與動(dòng)力電池包之間的連接管道來流入動(dòng)力電池包起到升溫作用;而當(dāng)動(dòng)力電池包內(nèi)溫度比較高且需要降溫的情況下，加熱裝置需要盡快停止工作，并將溫度較高的冷卻液在水泵作用下輸入散熱器中進(jìn)行散熱，再經(jīng)由節(jié)溫器流入動(dòng)力電池包中達(dá)到降溫作用。

3 動(dòng)力電池能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 散熱降溫

在單體動(dòng)力電池包內(nèi)，由于動(dòng)力電池2溫度比較高，需要盡快進(jìn)行散熱與降溫，避免動(dòng)力電池2溫度超過52℃，當(dāng)達(dá)到這個(gè)高溫之際，動(dòng)力電池的充放電性能將會(huì)受到極為顯著的負(fù)面影響，這時(shí)候溫度檢測(cè)裝置8可以促進(jìn)填充于單體動(dòng)力電池包內(nèi)部動(dòng)力電池2的相變材料10產(chǎn)生相變?而這種相變材料一般可以利用Na2S2O3·5H2O（硫代硫酸鈉晶體，俗稱海波或大蘇打）作為相變材料，該材料相變溫度為48.5℃，可以在動(dòng)力電池溫度上升至52℃之前產(chǎn)生相變，此時(shí)固體材料可以變?yōu)橐后w材料流入單體動(dòng)力電池包1位置，確保與動(dòng)力電池2的溫度基本相同。相變過程結(jié)束后溫度傳感器可以檢測(cè)動(dòng)力電池2的溫度，而此時(shí)動(dòng)力電池包1由于溫度較高，導(dǎo)致冷卻液管道3-5處的冷卻液溫度上升。同時(shí)會(huì)在重力作用下流過散熱系統(tǒng)總成9，同時(shí)在外界自然風(fēng)作用下進(jìn)行自然風(fēng)冷，如風(fēng)冷降溫效率不足需要啟動(dòng)散熱風(fēng)扇進(jìn)行散熱冷卻，之后冷卻液會(huì)流入節(jié)溫器5當(dāng)中，將其分為方向一與方向二兩個(gè)方向，方向一方向的冷卻液會(huì)在動(dòng)力電池包1內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，而方向二方向的冷卻液會(huì)從31管道經(jīng)過33管道再進(jìn)入動(dòng)力電池包內(nèi)部進(jìn)行降溫，再?gòu)?2管道流出，同時(shí)經(jīng)由34管道與方向一冷卻液一并流入加熱裝置8中，此時(shí)加熱裝置8并未處于工作狀況，而匯聚的冷卻液會(huì)繼續(xù)流入水泵6到散熱器系統(tǒng)9，繼而經(jīng)由節(jié)溫器5再分開流入動(dòng)力電池包顳部，匯聚于水泵6再流入散熱器系統(tǒng)9中，但降溫散熱過后的冷卻液繼續(xù)流入節(jié)溫器5中進(jìn)行循環(huán)工作。由于冷卻液受熱體積增大的緣故，多余的冷卻液會(huì)被吸入補(bǔ)償水箱4當(dāng)中，確保此時(shí)管道流動(dòng)冷卻液壓強(qiáng)穩(wěn)定性以保障散熱降溫的效率性，見圖1。

3.2 加熱升溫

單體動(dòng)力電池包內(nèi)動(dòng)力電池2溫度比較低的情況下需要提升溫度，此時(shí)為了避免冷卻液也會(huì)受到凝固而影響流動(dòng)性，可通過調(diào)節(jié)冷卻液成分水與乙二醇比例來降低冷卻液凝固點(diǎn)[5]。在溫度檢測(cè)裝置8檢測(cè)到動(dòng)力電池包溫度變得十分低的情況下，將會(huì)關(guān)閉水泵6與散熱器系統(tǒng)9之間的連接管路，并開啟加熱裝置7對(duì)管道內(nèi)的冷卻液進(jìn)行加熱，將加熱后的冷卻液輸入水泵6再到節(jié)溫器5，同時(shí)以方向三以及方向四兩個(gè)方向分別流入單體動(dòng)力電池包1內(nèi)進(jìn)行循環(huán)升溫以及流入31管道，繼而經(jīng)由33管道流入動(dòng)力電池包內(nèi)部，對(duì)其進(jìn)行加熱，再?gòu)?2管道流出，經(jīng)由34管道，與方向一方向所流入的冷卻液進(jìn)行匯聚并流入加熱裝置8，加熱完畢后經(jīng)由水泵6再進(jìn)入節(jié)溫器中進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。由于冷卻液低溫體積會(huì)明顯縮減，而補(bǔ)償水箱4則可以為管道提供冷卻液補(bǔ)給，確保管道內(nèi)壓強(qiáng)穩(wěn)定性，保障整體加熱升溫的效率性[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過研究純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池溫度管理的意義，再詳細(xì)分析動(dòng)力電池能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用，望能夠借助本次研究推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車領(lǐng)域的先進(jìn)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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