混動汽車的動力電池熱管理系統研究

摘要：新能源汽車和傳統汽車相比，其能源消耗更加環保，而且對化石燃料的需求也很小，現在已經變成市場上的主要發展方向。我國混動新能源汽車行業對一些新能源技術進行重點攻克，目前在動力電池和控制器以及充電樁方面有了非常大的突破，掌握了很多的關鍵技術?；靹有履茉雌嚨陌l展與動力電池息息相關，而動力電池的主要性能與其溫度有很大的關聯，所以要設計合理的熱管理系統，這對提高整車動力性以及經濟性具有重要意義。

關鍵詞：混動汽車;動力電池;熱管理系統

0 ?引言

當前市場上的主要新能源汽車仍然是混合動力汽車，它的主要優點是節能環保，而且行駛距離也比較長。混合動力汽車主要由動力電池、控制器、發電機-電動機組等多種部件組成，每個組成部件只有互相協調工作，才可以較好發揮整車的性能?；靹悠嚨募夹g基本已經很成熟了，且已經大量投入到商業使用中，可是汽車電池的安全性能和壽命問題還是存在的，這就使得混動新能源汽車還存在一定的安全隱患。這些問題都和動力電池的熱特性密切相關，因此，對動力電池的熱特性進行研究是非常具有意義的。傳統的汽車通常使用的是化石燃料，而化石燃料的使用會增加對環境的污染。各國對汽車使用的相關規范越來越嚴格，各個汽車生產商必須按照規章來進行汽車制造，為了滿足這些規章要求和節能環保的雙重目的，新能源混動汽車就出現了。我國也利用好了這個機會，通過一些汽車攻關項目，掌握了很多新能源汽車的核心技術，為了在世界新能源汽車市場具有一定的競爭力，很多國家都研制出了多種新能源汽車，其中混動汽車又是其中的重要部分。

1 ?混動汽車的類型

混合動力汽車指的是由兩種不同的動力源對汽車產生驅動作用，進行驅動的汽車，它是傳統汽車向純電動汽車過度的一種汽車類型。雖然混動汽車比較節能環保，但是或多或少還有一點尾氣排放，對環境還有一定的影響。純電動汽車指的是驅動全部由可充電電池（如鉛酸電池、鋰離子電池、燃料電池等）來進行驅動的汽車，不存在污染氣體的排放，因此純電動車也是未來汽車的發展大方向。對混動汽車按照驅動方式可以分成串聯式，并聯式以及混聯式混動汽車;根據不同能源的比例關系可以分為微混合動力汽車、輕混合動力汽車、中混合動力汽車和強混合動力汽車;根據汽車用電池包電量的來源還可分成荷電消耗型與荷電維持型混合動力汽車。這幾類基本概括了目前市場上的混合動力汽車種類[1]。

2 ?電池熱管理的現狀

通常來說，溫度對動力電池的性能影響比較大，溫度較低的時候，電池內阻較大，容量也變小，充電和放電的能力也變差;在溫度較高的時候，一些電池原料會發生化學反應，比如燃燒或者爆炸。如果電池包里面的電池每個點的溫度分布不均勻，那么單體之間的差異性也比較大，這就會影響到電池包的性能，而且對電池的壽命也會產生很大的影響。因此，對電池包的熱管理系統進行研究，是非常具有現實意義的。

在國內，很多鋰電池熱分析都不會對電池在使用過程中的溫度場進行分析，一般都只分析鋰電池的高溫或者低溫時的穩定性能，不知道電池為何會溫度升高。一般來說，動力電池的運行環境都很差，常常處于一個大電流的充放電狀態，如果不把電池SOC以及充放電電流結合起來對電池的溫度場分布進行分析，那么就不會得到電池組的正確溫度分布。所以，對這些方面的研究還需要進一步進行深入。而國外對這些方面的分析相對就非常多了，而且開始的時間也比較早。國外通常研究的是鋰電池和鎳氫電池比較多，其研究方法也大多類似。研究鋰電池一般按照幾個模型進行分析，分別是電化學-熱耦合模型、熱濫用模型和電-熱耦合模型，而鋰電池的熱特性分析通常使用熱濫用模型。這些研究分析模型都對應著不同的分析范圍，不同的研究要求和研究條件就要選用不同的分析模型，這些模型的分析結果也不太相同，主要表現在分析結果的精度和可靠度上?；旌蟿恿ζ嚍樘岣吣茉蠢寐?，可依照運行的策略來設計對應的能量回收，如果電池處于一個大電流充電的狀態下，很可能會發生過充現象。這時，風扇如果能帶走大部分熱量或者這種狀態持續的時間不長，電池包中的電池溫度不高，那么過充只有電解液的分解，這個時候電池還是安全的?？墒牵姵氐纳嵝匀绻缓玫脑?，那么金屬氧化物的正極就會發生脫鋰現象，化學活性變強，電池溫度繼續升高，如果持續的時間過長，就會使電池發生熱失控。

3 ?影響電池組溫度的因子

就動力鋰離子電池而言，其具有工作電壓較高，充放電次數多且壽命長，以及無污染等優點，因此被越來越多的使用在新能源汽車上。但是新能源汽車的使用條件比較復雜多變，而且電池的使用次數非常多，還經常處于大電流放電的狀態，這就導致其溫度變化幅度很大，嚴重影響了其安全性能。近年來，鋰電池的熱安全性也受到了人們的熱切關注，其工作的時候溫度會發生變化，而且還會發生化學反應。電池的正負極材料以及電解液等都會由不同程度的反應，一般都和溫度有關，一般負極材料和電解液的反應溫度相對較低，在40-72度的時候就會有輕微的放熱，在80-119度就會放出大量的熱，還可能導致保護膜分解，使電池的結構發生破壞。正極的材料發生反應的溫度相對就高一點，在溫度達到172度的時候才開始出現分解情況，在256度是發熱最嚴重。隔膜是正負極之間的分離材料，它的安全性和熱穩定性非常重要，如果隔膜的遮斷溫度低，就阻止鋰離子通過，影響了電池的性能，如果遮斷溫度高，就不能抑制住電池產熱的危險。隔膜的破裂溫度要大于遮斷溫度，在隔膜破裂或者融化的時候，就會使得正負極直接接觸，發生短路情況，如果發生這種情況，就很容易發生熱失控[2]。

4 ?建立動力電池的熱模型

為了更好的分析影響動力電池熱性能的因素，可以建立熱模型進行分析，對模型做出如下假設：①忽略對流換熱;②忽略電池內部輻射散熱;③假設熱導率相同;④假設比熱容和熱導率不受溫度和SOC值影響。

通過查閱文獻得到相關未知量的公式，根據公式計算出比熱容，生熱速率以及導熱系數。分析模型可知道單個電池的冷卻比較充分，而多個串聯在一起的時候散熱卻非常一般，僅存在于表面。電池內部的空隙非常小，雖然空氣是熱的不良導體，但還是不能忽略空氣的熱傳導作用。根據鋰離子電池熱模型理論，結合國產動力鋰離子電池進行建模分析。研究對象選用單體容量為10Ah的電池，電壓為3.3V，內阻是24.5m？贅，大?。╓×L×H）為18.25×138.9×65.21mm，質量為327.85g，比能量為100.6Wh/kg。電池正極極耳為鋁，負極極耳為銅，外殼材料為不銹鋼，這些材料的相關熱參數均從參考文獻中獲得[3]。

通過對模型進行仿真分析，分別對電池在1C、2C、4C倍率的使用條件下進行放電，以及模擬電池在不同使用環境下進行仿真分析。結合理論分析，設置一定的環境溫度，確定好不同材料的導熱系數、密度以及比熱。根據前面分析計算得到的負極極柱、正極極柱和內核的生熱率加到對應的區域，在把對流和輻射邊界條件加進去，進行計算。進行分析計算的時候，無需考慮導線自己產生的熱量，只用考慮電池單體產生的熱量。每個電池單體之間有一定的縫隙，這些縫隙之間存在著空氣，空氣是熱的不良導體，但是還是要考慮空氣的熱傳導，在建模的時候要把空氣的熱傳導效益加進去。

根據電池組的溫度分析可以看出來，電池組的溫度分布和單體電池的溫度分布之間存在很大的差別，特別是內部的溫度變化很大。為保障電池組中的單電池工作溫度相接近，就要讓單電池的散熱面積基本相同。同時，要使電池的最高溫度不會超過規定的最佳工作溫度，就要使電池組有一個良好的散熱條件，所以要在電池組中設計一些冷卻結構。最后對電池組的效率進行一個綜合分析，分析電池組的能量效率，可以考慮從其能量流進行分析。電池組的功率損耗主要包括電機損耗，冷卻風扇損耗和自身的熱損耗。根據電池的自身損耗熱功率可以計算出電池組的效率變化，輸出功率是電壓和電流的乘積。由這些分析可以知道，電池組的熱損耗主要和電池組的工作狀態相關。在電池組的放電倍率小于3C，電池組的熱損耗相比其他情況下是比較小的。根據計算的結果可以知道，在急加速的狀態下，電池組的熱損耗基本是電池組輸出功率的1.14%，這種情況下電池的發熱量達到了最大，因此溫度上升非常迅速。要想提高電池組的工作效率，就要合理的控制電池組放電電流的大小，而放電電流的大小可以通過電池的制作工藝來減小電池的內阻或者通過適當的工藝制作來減小電池單體之間接線柱的連接內阻，這些都可控制放電電流的大小[4]。

5  結束語

綜上所述，本文主要針對混合動力汽車動力電池組的溫度管理系統進行了研究分析，研究的內容主要包含電池的熱安全性、影響因素以及電池組的熱效率。通過這些問題的研究分析，希望解決目前混動汽車電池組的安全問題，同時提高電池組的動力性能，使得電池組的使用壽命變得更加長，這對于新能源混合動力汽車的推廣和產業化有非常重大的現實意義。

參考文獻：

[1]陳磊濤，許思傳，常國峰.混合動力汽車動力電池熱管理系統流場特性研究[J].汽車工程，2009，31（3）：224-227.

[2]孫志文，朱建新，儲愛華，等.混合動力汽車動力電池主動熱管理系統設計[J].電源技術，2015（04）：161-163，181.

[3]史磊，耿東，王守棲.基于氣-液兩相換熱的混合動力汽車動力電池一體化熱管理系統的研究[J].移動電源與車輛，2017（03）：30-34.

[4]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，2018，250（10）：5-8.

作者簡介：胡紅霞（1977-），女，山西人，本科，研究方向為重卡混動車型整車開發。