電動汽車鋰離子電池組熱管理系統設計

周 禮

(湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412001)

0 前言

電動汽車以車載電源為動力，通過鋰離子電池組中不同元素化學反應產生的能量來帶動傳動系統，驅動汽車行駛。當電池工作時，電池體內會產生熱量，如果這些熱量不能及時有效地排出，會造成電池組溫度上升和溫度分布不均勻，嚴重影響到電池的使用壽命和安全性能。因此，搭建電動汽車電池組熱管理系統，可有效控制電池組的熱量排放，提高電池的充放電效率。

本文對電動汽車鋰離子電池組熱管理系統的設計進行研究，分析了電池組內部電池單體溫度差異情況。通過對電池溫度變化實施熱管理與監控，可保障電池組的可靠性與安全性。在搭建電動汽車電池組熱管理系統時，可通過散熱、加溫、通風等方式對電池溫度進行控制，以提高電動汽車電池組的應用效果。

1 電池結構與工作原理

鋰離子電池是電動汽車電池組的核心部件，具有電壓高、質能比高、循環壽命長、無記憶效應等特點。鋰離子電池的標稱電壓設定為3.6 V，比鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池等電池的工作電壓高。鋰離子電池質量小、電壓高，電池質能比較高，符合電動汽車輕量化設計要求。鋰離子電池具有較好的環境適應性，其工作溫度在-20～60 ℃的范圍內。鋰離子電池充放電過程是通過正價鋰離子在正負極間往返運動完成的。鋰電池充電過程中，正價鋰離子與負價電子結合發生氧化還原反應，正價鋰離子從正極移動到負極，到達負極的鋰離子會嵌入到碳層微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。鋰電池在放電過程中，負極石墨層內的鋰離子脫出，從負極運動回到正極，返回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

2 電池單體熱特性

電動汽車電池組出現熱量不平衡的現象與電池單體熱性有直接關系。在搭建電動汽車電池組熱管理系統時，應充分考慮電池單體的熱特性變化。

利用型號N7954A的電源系統，對電池充放電過程進行測試，分析電池單體的輸出功率及電流分配情況。選擇的鋰離子電池高度為65 mm，內阻為60 mΩ，容量為3 400 mA，單體質量為48 g，充電電壓為4.2 V，放電電壓為2.5 V，標準電壓為3.7 V。鋰離子電池的初始溫度為27 ℃，在充電狀態下，其工作溫度為0～40 ℃；在放電狀態下，其工作溫度則為-20～60 ℃。在絕熱條件下，電池單體熱性變化較明顯，鋰離子電池在放電工作狀態下產生的熱量會更高。鋰離子電池在工作了800 s后，其放電溫差為3.16 ℃。因此，電動汽車電池組熱管理系統對電池單體的熱特性進行控制，可提升電動汽車電池組熱管理的控制水平。

3 熱管理系統設計

3.1 熱管理系統功能

根據電池組的實際狀況，搭建并優化熱管理系統。通過電池單體熱量控制與電池組整體控制相結合的方式，可實現電動汽車電池組熱管理控制效果的提升。電池組熱管理系統的搭建，可利用通風處理的方式，將電池溫度作為監控指標之一實施實時監測，同時針對熱量這一參數，在仿真軟件上增加系統控制和分析報警功能，多維度提升電動汽車電池組的工作效率。

3.2 設計要點

電動汽車在行駛過程中，為保持汽車的動力性能，應確保電池組在工作時的溫度，避免電池單體產生的熱量過高，影響電池組的工作效率。因此，在進行電池熱管理系統設計時，應根據電池單體性能確定電池組的最優工作溫度范圍，提高電池組的綜合控制效果。不同車型的電池組最優工作溫度存在一定差異，因而在控制電池組最優工作溫度范圍時，應優化操作流程，提高溫度控制能力。在搭建電動汽車電池組熱管理系統模型時，應先模擬電池組的最優工作溫度，并將溫度控制在25～40 ℃范圍內。由于電池組的導熱性能較差，熱能傳遞效率較低，測溫點測量出來的溫度與電池組的實際工作溫度有差異，不能直接使用溫度傳感器的參數值來代替電池組的實際溫度，應采用數學建模的方法來搭建電池組熱管理系統模型，并根據測溫點測量的溫度參數計算電池組的實際溫度。

電動汽車電池組熱管理系統通常采用的傳熱介質有空氣、液體和相變材料等。空氣冷卻是最簡單的冷卻方式，具有設備結構簡單、質量較小、成本較低等優點，但空氣導熱較慢，傳熱效率不高。液體冷卻方式多采用礦物油、水、防凍液等作為非直接接觸的傳熱介質，通過水套等換熱設施快速對電池組進行冷卻。相變材料是一種新型的冷卻介質，相變材料可以直接吸收來自外界的熱量，對電池進行冷卻降溫，冷卻效率較高，但其應用成本較高。在搭建電動汽車電池組熱管理系統模型時，應建立測溫點，并設置溫度傳感器測量模型溫度。通過對比數據發現，溫度傳感器數量越多，模型溫度的測量結果越準確，但同時也增加了系統成本。因此，在熱管理系統設計時，應在確保溫度測量準確性的前提下，合理選擇溫度傳感器的數量，保證電動汽車電池組散熱控制平衡。在實際應用中，還應對外界溫度、風力等條件進行綜合分析，修正模型溫度的準確性。對于以空氣為傳熱介質的電池熱管理系統，風機功率的選擇是否合理也會影響到系統的工作效率。風機功率越大，散熱速率越快，但會相應增加系統成本。因此，在進行電池熱管理系統設計時，應綜合考慮其性能與成本因素，在降低系統成本的同時提高系統的散熱能力。

3.3 系統設計

在進行電池組熱管理系統設計時，可使用自動變速器油(ATF)作為能量傳遞和吸收的介質，并確保滿足以下條件：① 電池單體工作溫度不超過40 ℃；② 為保證溫度上的一致性，電池單體間的溫差應控制在5.00 ℃以內；③ 由于采用了液體冷卻，應確保系統具有良好的絕緣性，防止泄漏。

在電動汽車電池組熱管理系統設計時，應對溫度控制與運行的參數進行分析，并在溫度變化處理與分析基礎上，提高電動汽車電池組熱管理系統的應用效果。在搭建并優化電動汽車電池組熱管理系統模型時，通過采用冷卻液吸收各電池單體熱量的冷卻控制方式，提升電池單體的散熱處理水平，實現電池組快速冷卻。

在電動汽車電池組熱管理系統模型仿真參數設置中，應對湍流模型進行選擇。使用ATF作為散熱介質，使用水泵為其提供循環動力，采用強制對流冷卻形式。因此，流體的運動狀態可通過雷諾數來判斷。雷諾數與流體速度有關，通過雷諾數計算，確保散熱系統的雷諾數大于臨界雷諾數，流體流動方式設置為湍流。此外，還可通過流體動力黏性系數對流體通道進行優化，提高電池組散熱效率。

3.4 電池組冷卻計算

在實際應用中，電池組冷卻系統的熱量傳遞具有明顯的耦合特征。因此，可將其視為整體，采用離散法對電池組進行冷卻計算。通過微分方程，對電池組的壓力、動量、能量等進行離散計算，優化電池組熱管理系統的冷卻處理過程，提高流場變量的控制效果。此外，還可通過控制迭代計算的方式加速計算收斂速度，提高冷卻處理的計算水平。

電動汽車電池組熱管理系統邊界條件的設置，可通過計算域邊界數值來獲得，同時應對流體域的出入口位置與散熱處理過程進行完善，提高冷卻處理水平。其中，入口邊界包含速度入口邊界、壓力入口邊界、質量流量入口邊界等，由于ATF液壓油不可壓縮，其密度可設置為常數，通過冷卻流速控制，滿足冷卻處理需求，其質量流量可取值0.03 kg/s。出口邊界包含壓力出口邊界及質量出口邊界，在對邊界條件進行靜壓處理過程中，可利用壓力出口邊界，對出口位置流體的靜壓進行控制，提高出口邊界的優化水平。

結合冷卻液流場運動狀態，通過調整電池單體與換熱介質之間的對流換熱系數，實現了對電池組散熱結構的調整，將電池組的溫差控制在4.54 ℃，使電池組的工作溫度得到更好地控制。同時，冷卻液流量也是影響熱管理控制系統的因素之一，應通過調整循環系統中冷卻液流量，控制電池組溫度。當電池組工作溫度較高時，系統將自動控制增加冷卻液流量，對電池組進行快速散熱。當電池組工作溫度正常時，系統可適當減少冷卻液流量，在減少能耗的同時可延長循環水泵的使用壽命。在實際應用中，通過將多個電池組模塊聯合在一起的方式，可實現對電池能量損耗的控制，提高冷卻液流量的綜合控制效果。

3.5 搭建散熱系統

搭建電動汽車電池組熱管理系統時，可通過液冷散熱方式，對電池組的溫度變化進行保護，保證電池溫度的均勻性。可通過優化鋰離子電池的放電倍率、標準電壓與體積空間等參數，提高散熱效果。

電動汽車電池組的外觀尺寸設置如下：長度295 mm、寬度94 mm、高度210 mm。在電池組整體結構中組建鋰離子動力電池支架、引流線、串流引線和螺栓等部件，提高電池組熱管理系統的運行效果。在電池組散熱過程中，通過對導線連接的熱能轉化及電池組夾套設計，提高電池組的穩定性與散熱性能。根據電池組的散熱要求，合理調整電池組與電池組支架間的縫隙。將肋板高度設置為2.5 mm，以提高電池組的散熱效果，并優化電池組的固定結構與電池組的運行狀況，提高電池組的運行控制效果。

為了保證拆裝電池組時的安全性，應對固定結構進行優化，在確保電池箱密封性良好的基礎上，對電池箱與殼體間隙密閉性進行控制，提升系統的安全性。

4 結語

在電動汽車電池組熱管理系統設計中，通過電池組流場初始化與結構設計，可使對該系統的整體工作性能得到多方面的提升。在整體結構搭建時，結合了電池組自身的結構與電池單體特性，優化了散熱過程，提升了電池組的散熱水平。為了保證電池箱的密封性，在殼體與電池箱之間設置了密封圈，并搭建了電池單體熱特性模型，提高了電動汽車電池組熱管理系統的應用效果。此外，通過改變電池組的流場條件，對電池組整體溫度場進行了評估，可供提升電池組散熱水平參考。