新能源汽車動力電池熱管理系統(tǒng)優(yōu)化

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動力電池；熱管理系統(tǒng)

0 前言

隨著新能源汽車技術(shù)的不斷深入發(fā)展，新能源汽車已經(jīng)成為世界上最具發(fā)展?jié)摿颓熬暗漠a(chǎn)業(yè)之一。但是，新能源汽車所面臨的動力電池熱管理問題也日漸突出，嚴重影響著電池性能和電池安全，因此動力電池熱管理系統(tǒng)已成為新能源汽車核心技術(shù)之一。本文主要從系統(tǒng)總體方案、熱管理單元設(shè)計、熱系統(tǒng)優(yōu)化3 個方面對當前動力電池熱管理系統(tǒng)展開分析與優(yōu)化設(shè)計。

1 動力電池熱管理系統(tǒng)概述

電動汽車對電池熱管理系統(tǒng)有較高的要求，促使電池熱管理系統(tǒng)技術(shù)不斷進步。其中比較重要的是優(yōu)化電池散熱結(jié)構(gòu)。電動汽車的動力系統(tǒng)包含了多個電池部分及電機等電子設(shè)備，這些電子設(shè)備會產(chǎn)生強大功耗和熱量。由于電池體積龐大，在工作中會產(chǎn)生大量的熱量，因此需要對電池進行降溫、散熱等一系列工藝處理以保證電池性能充分發(fā)揮。對電池進行熱管理，不僅能提高動力電池的使用壽命，還能有效降低電池的能量損耗。

1. 1 熱管理系統(tǒng)中電池組工作原理

為了使電池組具有良好的冷卻效果并延長電池壽命，必須將電池置于一個穩(wěn)定的外部環(huán)境下以減少外界環(huán)境溫度變化引起的影響。通常情況下，電池內(nèi)部溫度與周圍環(huán)境之間存在著一定的溫差，當溫差達到一定值時就可能導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象從而引發(fā)安全事故。目前，常用的電池熱管理方法主要分為2 種類型，分別是通過控制電池內(nèi)溫度來調(diào)節(jié)電池組內(nèi)部溫度，以及利用傳感器實時監(jiān)測電池組溫度。在實際應(yīng)用過程中，由于不同的電池所需的溫度不同，因此可以采用多種不同的方式實現(xiàn)對電池組的加熱和散熱。其中，最為常見也是較為成熟的就是基于單片機技術(shù)構(gòu)建的電池熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括2 個部分，即主控制器和執(zhí)行機構(gòu)。主控制器負責對電池組的溫度控制及電池組的運行狀態(tài)監(jiān)控，同時還需要根據(jù)當前電池所處的環(huán)境溫度，及時調(diào)整電池組的溫度。而電池的執(zhí)行機構(gòu)則需要對電池組的各項參數(shù)進行采集并將其傳送到計算機上，然后再經(jīng)過處理后輸出給相應(yīng)的操作人員。當然這種模式下還會存在一個問題——如果電池出現(xiàn)了過熱或過冷等情況，那么就無法正常使用，此時就需要相關(guān)工作人員對電池的溫度進行檢測，以保障后續(xù)工作能夠順利進行。本文介紹了影響動力電池熱管理系統(tǒng)性能的主要因素，研究了電動汽車電池在工作中產(chǎn)生的熱和傳熱問題［ 1］，同時對電動汽車及其動力電池熱管理系統(tǒng)做了詳細闡述。

1. 2 電池模組

動力電池主要由3 部分組成：單體電池、模組和電池管理系統(tǒng)（BMS）。單體電池是通過電芯直接作者與外界環(huán)境進行接觸，在工作中會產(chǎn)生熱量從而影響整車性能。但是當電池溫度過高時會對其內(nèi)部元器件造成損壞，同時內(nèi)部溫度過高將導(dǎo)致電池壽命降低及電池容量衰減，因此需要對電池熱管理系統(tǒng)進行改進，以保證電池能夠充分發(fā)揮其性能，避免電池過熱而影響續(xù)航里程［1］。

1. 3 動力電池與電池組之間的散熱

動力電池自身會產(chǎn)生熱量且需要對其進行冷卻，為了能夠更好地保證動力電池安全性，并對其進行有效冷卻，提高電池綜合性能，需要對其進行散熱設(shè)計。散熱是電池熱管理系統(tǒng)中重要的一部分，可以通過對電池進行冷卻使其溫度保持在一定范圍內(nèi)，保證電池系統(tǒng)達到最佳工作狀態(tài)，確保續(xù)航里程，以及運行的安全可靠。

1. 4 熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，電動上的電池熱管理系統(tǒng)主要分為2 種結(jié)構(gòu)，即鋰電池冷卻系統(tǒng)和電池組散熱系統(tǒng)。根據(jù)鋰電池不同，有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計上基本都是在控制面板上進行溫度控制。在散熱設(shè)計過程中需要考慮各個電池的性能不同，對于鋰電池而言，鋰電池在工作時需要進行散熱，當溫度過高時，電池無法正常供電，因此需要對鋰電池進行冷卻以保證其正常運行，以保護功能有效發(fā)揮。而當鋰電池出現(xiàn)異常時，及時發(fā)出報警信號并對相關(guān)設(shè)備做出有效處理，從而確保電池健康安全運行。所以在設(shè)計中通常都會設(shè)置散熱模塊并對鋰電池進行溫度控制，避免造成電池過熱問題影響電池性能。

2 動力電池熱管理系統(tǒng)優(yōu)化

2. 1 熱管理系統(tǒng)優(yōu)化分析

隨著電動汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，電池與電機、電控、電氣和溫度管理系統(tǒng)之間相互影響，動力電池熱管理系統(tǒng)成為電動汽車控制系統(tǒng)的重要組成部分。將不同類型的電池模塊及相應(yīng)的散熱管理部件相結(jié)合來控制鋰電池溫升，提高充電效率和安全性。目前國內(nèi)外的動力電池熱管理系統(tǒng)主要由電池系統(tǒng)、電池組及加熱裝置3 部分組成。在蓄電池組中放置一個加熱裝置，利用其自身溫度來驅(qū)動電池組循環(huán)工作，以此來調(diào)節(jié)電池組的功率。因此一個合理的熱管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電池組熱量和溫度的有效控制，并能保證電池充電安全。整個熱管理系統(tǒng)可以分為電池冷卻系統(tǒng)、加熱元件和熱交換器等模塊。其中，能量轉(zhuǎn)換器可對動力電池組中每一個電池組進行獨立發(fā)電，保證在電池能量循環(huán)過程中維持一定的功率輸出。電源端采用直流或交流供電方式進行電能輸出；加熱元件由熱交換器通過電機等傳動機構(gòu)將熱量傳遞給電池組或加熱裝置；加熱設(shè)備通過與加熱單元接觸進行熱量交換獲取電能，保障動力電池組的性能需求；熱交換器由傳質(zhì)機、冷卻架、加熱器等組成，通過控制溫度和流量達到降低熱消耗，提高工作效率的目的。

2. 2 動力電池設(shè)計分析

動力電池一般采用鋁殼結(jié)構(gòu)，電池內(nèi)部隔板可分為3 類，其中一類為鋁合金隔板。鋁隔板材多用于中大型動力電池（如BMS 等），因為其體積小、質(zhì)量輕、散熱效果好、安裝方便等優(yōu)點受到了廣大消費者喜愛。鋁板具有質(zhì)量輕、安裝方便、價格便宜、使用壽命長等優(yōu)點，逐漸被市場所接受。目前鋁制隔板主要應(yīng)用于大型電動汽車及混合動力汽車上。其中，動力電池內(nèi)部多采用鋁電解質(zhì)隔板用于散熱和維持電池穩(wěn)定的性能。新能源汽車一般使用8 片鋁制隔板組成動力電池包，即8 個正極與12 個負極；同時為了保證電化學(xué)反應(yīng)中的導(dǎo)電性、安全性及電池使用壽命，在動力電池包內(nèi)設(shè)計了多個冷卻器，分別安裝在正極、隔膜、電解液和殼體內(nèi)。

2. 3 關(guān)鍵零部件優(yōu)化方案

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計要求，將電機、電控、散熱器、空調(diào)冷凝器等關(guān)鍵零部件進行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過各工況下整車試驗發(fā)現(xiàn)，電機在循環(huán)冷卻過程中，電機繞組容易發(fā)生溫度漂移變亂，給冷卻系統(tǒng)帶來安全隱患。電機在循環(huán)冷卻過程中產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)到空氣里或水里，導(dǎo)致發(fā)動機功率下降，整車油耗上升。根據(jù)熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計原則，需對電機模塊進行散熱優(yōu)化。散熱優(yōu)化需考慮電機轉(zhuǎn)子和內(nèi)機殼體之間存在機械差異及空間結(jié)構(gòu)是否合適等因素。因此在進行部件優(yōu)化設(shè)計時需要考慮：① 內(nèi)機殼體結(jié)構(gòu)；② 外殼材質(zhì)；③ 殼體與底盤結(jié)構(gòu)的連接；④ 電機轉(zhuǎn)子壽命。

2. 4 總體熱負荷仿真分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機系統(tǒng)的冷卻風扇工作時，電池組及電機對溫度敏感度相對較高，為了提高發(fā)動機降溫效果，將發(fā)動機工作溫度降低5～15 K，從而減少了發(fā)動機冷卻風扇的運行時間。空調(diào)制冷能力是仿真分析過程中的重要因素，空調(diào)制冷能力越強，系統(tǒng)內(nèi)空氣溫度越低，汽車行駛時空調(diào)制冷能力越強。本例設(shè)計之初是考慮將空調(diào)制冷能力提升到車輛行駛時的最大值（12 ℃），以提高車輛空調(diào)的使用壽命，同時降低動力成本。

2. 5 熱系統(tǒng)性能仿真分析

對于動力電池熱系統(tǒng)，利用Matlab 軟件搭建動力電池及電機系統(tǒng)仿真模型，基于ArcGIS 軟件進行仿真分析。將功率模型與性能模型疊加，得到仿真結(jié)果：能量密度模型與真實的熱模型之間存在一定誤差。因此，根據(jù)實際工況對熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，使其能夠滿足實際需求。在此基礎(chǔ)上，對熱系統(tǒng)性能進行優(yōu)化設(shè)計。為滿足各熱管理單元散熱能力的要求，實現(xiàn)最佳散熱效果及最優(yōu)控制參數(shù)，可以對各熱管理單元開展性能仿真分析，主要包括各熱管理單元、各部分設(shè)計參數(shù)優(yōu)化及計算結(jié)果分析等內(nèi)容。

3 結(jié)論

本文通過對動力電池熱管理系統(tǒng)整體方案設(shè)計、熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及系統(tǒng)總體熱負荷仿真分析，得出以下結(jié)論：① 熱負荷仿真結(jié)果是對動力電池電芯工作性能影響最大的指標之一。隨著動力電池熱管理系統(tǒng)的性能不斷提高，系統(tǒng)整體效率將會不斷提升。② 熱負荷仿真結(jié)果是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化方案制定，以及優(yōu)化方案確定前需要分析處理的重要技術(shù)問題。基于結(jié)構(gòu)設(shè)計方式將使熱負荷仿真計算分析結(jié)果更加準確，可以有效提高系統(tǒng)整體效率與耐久性。③ 結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計方式能夠更好地控制動力電池熱負荷指標，實現(xiàn)動力電池熱負荷仿真計算優(yōu)化和設(shè)計分析工作。