新能源汽車動力電池熱管理系統研究

摘要：新能源汽車的動力源為動力電池，在動力電池使用期間，溫度上升會使其多種工作特性參數受到負面影響。基于此，研究更加先進的動力電池熱管理系統已經成為新能源汽車領域的熱點。首先對新能源汽車動力電池及熱管理系統的相關內容進行了概述，其次提出了一種能夠對動力電池工作溫度進行有效控制的熱管理系統方案，并對該系統構成、控制方式以及選型進行了研究。

關鍵詞：新能源汽車;動力電池;熱管理系統

中圖分類號：U461 收稿日期：2022-07-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.006

1 前言

近年來，新能源汽車逐漸走進了大眾的視野，并在滿足人們出行需要、保護生態環境、降低污染物排放規模等多個方面發揮了重要作用。新能源汽車的整體性能基本是由其內部的動力電池所決定的，而實現動力電池性能的充分發揮，降低電池使用期間溫度過高產生的不利影響至關重要，實現這一目標的關鍵就在于動力電池熱管理系統的科學研發。

2 新能源汽車動力電池及熱管理系統概述

從當前新能源汽車領域的實際發展狀況來看，其正處于行業內顛覆性變革的階段。a.由于汽車產業正與多種新興技術之間進行更加深層次的融合，例如移動互聯網技術、云計算技術、大數據技術以及人工智能技術等，新能源汽車呈現出共享化、電動化、網聯化以及智能化的發展態勢，并且能夠為社會大眾提供移動出行服務。b.當前消費者對于新能源汽車提出了越來越高的消費需求，并且國家補貼政策逐漸退坡9u58sJ47n3mbbJWNhrsSSA==，在這種情況下，新能源汽車不得不在產業成本和制造方式等方面進行更加充分的變革，而動力電池則是變革期間的首要任務[1]。

新能源汽車的動力電池在發揮作用時基本原理為：借助動力電池自身的電化學反應，鋰離子會在電池的正極與負極之間移動，以此發揮電池的充電與放電功能。在電池進行電化學反應的過程中，會向外界釋放出一定的熱量，所以會出現溫度增加的情況，在這種條件下，動力電池自身將會受到一定的影響，例如電池循環壽命、電池一致性、電池充放電效率、電池可用容量、SOC、電壓以及內阻等，情節嚴重時，還可能導致熱失控現象的產生，進而致使電池著火。

動力電池工作溫度的變化將對新能源汽車的加速性能、車速峰值以及續駛里程產生一定程度的影響，如果想要使新能源汽車處于較高的行駛速度，動力電池就需要釋放出充足的電流作為支撐，倘若此時周邊溫度條件較低或較高，均會對動力電池的性能產生較大程度的影響，影響其電流釋放。由此可見，對于新能源汽車動力電池而言，一個性能良好、效率較高的熱管理系統必不可少，該系統能夠冷卻動力電池系統或者是加熱動力電池系統，從而使新能源汽車能夠在嚴寒或酷熱的條件下實現順利行駛。

3 新能源汽車動力電池熱管理系統構成

本文所研究的新能源汽車動力電池熱管理系統中涉及的系統主要包括以下幾方面：a.動力電池系統。該系統中共包含三項要素，分別是BMS控制器、電池包1、電池包2;b.加熱模塊。這一模塊中共包含兩方面內容，分別是PTC以及加熱器控制裝置，在此之中，PTC是一種正溫度系數的電阻絲;c.制冷模塊。此模塊中包含的內容主要有TMS控制器、水泵以及空調機組;d.膨脹水箱;e.水溫傳感器;f.三通。此種新能源汽車動力電池熱管理系統構成架構如圖1所示。

從圖中可知，在該動力電池熱管理系統中，動力電池系統中各個組成要素的連接方式如下：動力電池包1的出水口一端在通過三通1之后與同系統中動力電池包2的出水口一端實現了連接，而其進水口一端則借助三通2與電池包2的進水口一端進行有效連接;在該熱管理系統中，制冷模塊在連接動力電池系統所借助的介質為三通3，與此同時，三通3還是動力電池系統與維修球閥連接的主要介質。另外，動力電池系統在與水溫傳感器進行連接時所使用的介質為三通2[2]。

4 新能源汽車動力電池熱管理系統控制方式

在本文所研究的新能源汽車動力電池熱管理系統中，熱管理的整個循環流程需要經過若干個構成要素，例如膨脹水箱、空調機組、水泵、PTC、水溫傳感器、動力電池包、三通等，在經過循環之后，還會再次回歸至膨脹水箱。

當新能源汽車開始啟動時，動力電池熱管理系統即開始發揮作用[3]。BMS控制器會將動力電池系統中每一個電芯的溫度進行采集，包括電池包1和電池包2。a.如果控制器采集到的電芯溫度峰值超過了37 °C，那么BMS控制器就會將相關信息遞交至TMS控制器中，在接收到信息之后，TMS控制器將會向水泵和空調機組發送對應的制冷指令，此時這兩項要素將會進入開啟狀態，并借助制冷劑降低冷卻液的溫度，實現溫度降低的目標。b.如果BMS控制器采集到的電芯溫度峰值處于32～37 °C之間，此時該控制器依舊會將相應的信息遞交至TMS控制器中，在接收到信息之后，TMS控制器就會向水泵下達自循環的指令，此時空調機組將處于關閉狀態。c.如果BMS控制器采集到的電芯溫度峰值小于32 °C，當BMS控制器將信息遞交至TMS控制器之后，TMS控制器將會向水泵發送關機指令，此時動力電池將會借助外界溫度條件調節自身溫度。d.如果電芯溫度最小值處于12～15 °C之間，此時動力電池系統需要進行加熱操作，當TMS系統接收到BMS系統發送的信息之后，將會向水泵發送開機指令，同時將相應的信息輸送至加熱器控制器中，進而向PTC下達加熱指令，此時熱管理系統中的PTC和水泵處于開啟狀態，能夠對溫度進行有效調節。

5 新能源汽車動力電池熱管理系統選型

熱管理系統應當與動力電池正常工作期間所提出的制冷需求相滿足，換言之，動力電池的發熱功率應當與汽車制冷機組制冷功率保持一致。本文在分析新能源汽車動力電池熱管理系統選型時，以某一款新能源汽車作為研究對象，展開動力電池熱管理系統的相關研究，表1為該案例車輛的相關參數。

在計算動力電池制冷效率的過程中，通常會涉及電池單體生熱率，就現階段相關領域的發展狀況來看，使用頻率較高的一種電池生熱率模型為美國加州大學伯克利分校D.Bernardi所提出的模型，具體如下：

q=（I2R0-I·T[dE0dT]）/Vb （1）

式中，q為電池電芯的實際生熱率，W/m3;I為動力電池電芯放電電流的實際數值，A;R0為動力電池電芯內阻數值，Ω;T[dE0dT]為電池系統中電芯電化學特性的物理量，通常來說，這一內容可以用一個具體的數值表示，此處取11.16×10-3 V;Vb為電芯電池的具體體積，m3。

在本文中，Vb的具體數值需要以案例車輛為基礎，其數值計算方式如下：

Vb=13×48×174×10-9=1.11×10-9 m3 （2）

本案例中新能源汽車單體電池的具體生熱率計算方式如下：

q=（2502×0.73×10-3×-250×11.16×10-3）÷（1.11×10-9）

=38 561 W/m3 （3）

此外，在對電池包的實際散熱功率進行計算時，需要使用如下公式：

Pb=q·n·Vb （4）

式中，Pb為動力電池包散熱功率，W;q為電池電芯的生熱率，W/m3;n為動力電池包電芯數量;Vb為電芯電池體積，m3。

將已知數值代入之后可以獲取如下結果：

Pb=38 561×100×1.11×10-9=4 283.5 W （5）

這一結果即為動力電池實際運行過程中需要的具體制冷功率。基于此，在對常見壓縮機制冷功率進行查閱和分析之后，認為使用4.5 kW的壓縮機最為恰當。

在明確動力電池實際運行期間的制冷功率需求之后，就可以具體計算加熱功率，相應方法如下：

PPTC=C·m·（Tout-Tin）/T （6）

式中，PPTC為動力電池自身的加熱功率，W;C為電池冷卻液的比熱容，J/（kg·°C）;m為冷卻液重量，kg;Tout為車輛動力電池冷卻液流出時的實際溫度，°C;Tin為電池冷卻液輸入時的具體溫度，°C;T為加熱動力電池冷卻液需要消耗的周期，s。

本文所研究的案例車輛設計使用的電池冷卻液是目前市場上比較普遍的一種類型，即50%的乙二醇溶液，該車輛可以存放5L的冷卻液，并且該液體自身的比熱容為3 300 J/（kg·°C）。當其溫度處于25 °C時，密度為1 071.11 kg/m3，此時電池冷卻液出水溫度為25 °C，進水溫度保持在0 °C，加熱時長共計90 s。

在已知上述數值的情況下，就可以將這些具體數值代入式（6）中完成相應的計算，實際結果如下：

PPTC=3 300×5×1 071×（25-0）/1 000/90=4 908.75 W （7）

在研究如今市場上比較普遍的PTC電加熱功率之后，決定選用5 kW的類型。

在經過計算之后，本文得出了以該案例車輛為基礎的動力電池熱管理系統的相關設計參數名稱及數值，表2所示為其具體內容。

新能源汽車動力電池熱管理系統在進行設計時的主要目標為電池箱的進水溫度，依托于控制導熱介質溫度，使之長時間維持在穩定不變狀態的方式，能夠使得輸入到電池箱中的導熱介質本身的溫度保持在最良好的狀態，實現電池箱能夠始終穩定在最適宜工作溫度的目的。一方面，這能夠達成電池箱充電和放電安全性和穩定性的提升，另一方面，電池的循環壽命也能夠延長[4]。

如今，新能源汽車動力電池管理技術正在經歷不斷向前邁進的關鍵時期，市場上存在的相關產品大多是將自然風進行抽取之后使之通過散熱器進而實現導熱介質散熱的目的，從本質上來看，這種散熱方式在實際應用期間受到一定的制約，這種制約主要表現在散熱過程受到來源于車輛周圍環境溫度的較大影響。此外，加熱電池系統的方法大多是通過將加熱膜粘貼到電芯表面的形式，不過就具體情況來看，加熱膜這種材料實際進行加熱時具備的效率無法滿足相應的需求，并且這種加熱方式在實際應用期間出現故障和觸電風險的可能性均較大。

在此案例汽車中，借助空調制冷系統使導熱介質溫度逐漸降低是其動力電池熱管理系統最主要的制冷方式，這種制冷方式在實際應用過程中受到來源于車輛周圍環境溫度條件的影響程度較小。與此同時，在加熱電池系統時，所使用的解熱模塊是由PTC充當，能夠對導熱介質進行強制性加熱。系統整體結構中還包括相應的控制系統，借助將水溫傳感器在循環水路中進行合理設置的形式，并通過智能化控制，能夠將動力電池熱管理系統循環水路中的水溫控制在設定的范圍內，如此一來，新能源汽車動力電池的工作溫度就能夠處在更加高效的狀態。

本文所研究的空調制冷系統是以在一個箱體內部集成安裝的形式完成相應的安裝，有著較高的集成度，這也意味著在不斷對新能源汽車整體空間造成擠壓、侵占和影響的情況下，空調制冷系統能夠實現便捷的安裝、搭載與應用，并且有著良好的可維護性。

6 結語

作為新能源汽車的根本動力來源，動力電池的質量與汽車整體性能息息相關，因此，探究動力電池熱管理系統的優化有著重要意義。本文所研究的新能源汽車動力電池熱管理系統是基于當前相關領域已經相對成熟的空調系統技術，對該技術進一步改進之后，所生成的一種可靠性較高、成熟性較高且性能穩定的熱管理系統，在多種新能源汽車動力電池熱管理系統中均可以實現有效應用。

參考文獻：

[1]胡偉欽新能源汽車動力電池熱管理系統設計[J]機電技術，2022（2）：62-64.

[2]左培文，朱培培，邵麗青新能源汽車動力電池產業發展特點與趨勢分析[J]汽車文摘，2022（1）：1-7

[3]趙建東新能源汽車動力電池熱管理系統開發[D]石家莊：石家莊鐵道大學，2021.

[4]田萬鵬，陳標新能源汽車鋰電池熱管理系統熱性能分析與優化控制研究[J]四川輕化工大學學報（自然科學版），2021，34（1）：56-62.

作者簡介：

張凱，男，1976年生，工程師，研究方向為新能源汽車研發、三電熱管理技術開發及集成。