新能源汽車電池熱管理控制系統設計及實現分析

徐文文　王彬

摘 要：隨著全球對環境保護意識的增強和對傳統燃油汽車排放污染的擔憂，新能源汽車作為一種清潔、高效的交通工具逐漸受到人們的關注和青睞。而作為新能源汽車的核心部件之一，電池的性能和壽命對整個車輛的性能和使用壽命有著重要影響。其中，電池的熱管理控制系統是保證電池正常工作和延長電池壽命的關鍵。文章主要通過對新能源汽車電池熱管理控制系統的設計和實現進行分析，以提高新能源汽車電池的性能和壽命。

關鍵詞：新能源汽車 電池 熱管理控制系統 設計 實現

動力電池作為新能源汽車的核心部件，會直接影響到新能源汽車的性能。而電池熱管理控制系統的有效設計能夠延長電池使用壽命，是新能源汽車售賣過程中消費者考慮的重要因素。

1 電池熱管理的重要性

1.1 電池溫度對性能和壽命的影響

電池溫度是電池熱管理中的一個重要參數，它對電池的性能和壽命有著重要的影響。在低溫環境下，電池的化學反應速率會降低，從而使電池的放電能力減弱，降低電池的功率輸出。而在高溫環境下，電池的內阻會增加，導致電池的放電能力減弱，同時也會加速電池的自放電速度，降低電池的容量。因此，電池的溫度需要控制在適當的范圍內，以保證電池能夠正常工作并發揮最佳性能。在高溫環境下，電池的壽命會大大縮短。高溫會導致電池內部材料的老化加速，電解液的蒸發增加，電池的容量衰減加劇，從而縮短電池的使用壽命[1]。而在低溫環境下，電池的壽命也會受到影響。低溫會導致電池內部材料的脆化，增加電池的內阻，降低電池的容量，從而減少電池的使用壽命。為延長電池的壽命，需要控制電池的溫度在合適的范圍內。

1.2 電池熱管理的需求

過高的溫度會導致電池容量的降低，從而縮短設備的使用時間。此外，高溫還會加速電池的老化過程，縮短電池的壽命。因此，通過有效的熱管理措施，可以保持電池在適宜的溫度范圍內工作，提高其性能和壽命。過高的溫度會增加電池發生熱失控或爆炸的風險。這對用戶的安全構成威脅，尤其是在移動設備和電動車等高風險場景下。因此，電池熱管理的需求在于確保電池的溫度穩定在安全范圍內，防止潛在的安全事故發生。此外，電池過熱會導致能量的浪費和資源的消耗。通過有效的熱管理措施，可以減少電池的能量損耗，提高能源利用效率，從而減少對環境的負面影響。

2 電池熱管理控制系統的設計原則

2.1 溫度監測和控制

在新能源汽車電池熱管理控制系統的設計中，溫度監測和控制是至關重要的一環。通過在電池組中布置溫度傳感器，可以實時監測電池組的溫度變化。這些傳感器能夠準確地測量電池組內部和外部的溫度，并將數據傳輸給控制系統。根據電池組的溫度變化，控制系統能自動調節冷卻系統或加熱系統的運行，以保持電池組在適宜的溫度范圍內工作。這可以通過控制冷卻風扇、水泵、加熱器等設備的運行來實現。如果電池組的溫度過高，會導致電池的過熱和損壞，甚至引發火災等危險[2]。因此，控制系統應及時發出警報并采取相應的措施，如切斷電池組的電源或啟動緊急冷卻系統，以確保安全。隨著技術的發展，可以利用人工智能和大數據分析等技術來優化溫度監測和控制系統的性能。通過對大量數據的分析，能夠提前預測電池組的溫度變化，并采取相應的控制策略，以提高電池組的效率和壽命。

2.2 散熱系統設計

散熱系統的設計能夠有效地將電池產生的熱量散發出去，保持電池的正常工作溫度。散熱系統應具備良好的散熱效果，確保電池在高溫環境下不會過熱，從而延長電池的使用壽命。此外，散熱系統的設計還應考慮到節能和環保的因素，減少能源的消耗和對環境的影響。在系統的設計中，可采用多種方式來實現散熱效果。一種常見的方式是通過散熱片或散熱器來增大散熱面積，提高散熱效率。散熱片或散熱器通常采用金屬材料制成，具有良好的導熱性能，可以將電池產生的熱量快速傳導到散熱介質中。散熱片或散熱器的表面積較大，可以增加與周圍環境的熱交換面積，提高散熱效果。散熱系統還可采用風冷或液冷的方式來實現散熱。風冷散熱系統通過風扇或風道將空氣引入散熱器，利用空氣的對流效應將熱量帶走。液冷散熱系統則通過循環泵將散熱介質引入散熱器，利用液體的導熱性能帶走熱量。這兩種方式各有優劣，可根據實際情況選擇合適的方式。不僅如此，散熱系統的設計還需考慮到散熱介質的選擇。散熱介質應具有良好的導熱性能和熱穩定性，確保散熱效果的同時不會對電池產生負面影響。

2.3 熱量回收和利用

在電池充電和放電過程中，會產生大量的熱量，如果不加以利用，這些熱量將會散失，造成能源的浪費。因此，設計中應該考慮將這些熱量回收起來，例如通過熱交換器將熱量傳遞給其他系統或設備，用于供暖、制冷或其他用途。熱量利用是指將回收的熱量用于實際的能量轉換或供應[3]。例如，可以利用回收的熱量進行汽車內部的空調制冷或供暖，減少對傳統能源的依賴。此外，還可將熱量用于加熱電池系統，提高電池的工作效率和壽命。通過合理利用熱量，能夠提高能源利用效率，減少能源消耗和環境污染。

在設計熱管理控制系統時，需要合理選擇和配置熱交換器，確保能夠有效地回收和傳遞熱量。同時要設計合適的控制策略，根據電池系統的工作狀態和需求來調節熱量的回收和利用。此外，還需考慮熱量的傳遞和分配方式，確保熱量能夠被充分利用。

3 電池熱管理控制系統的關鍵技術

3.1 溫度傳感器選擇和布置

溫度傳感器的選擇需要考慮其精度、響應速度、可靠性和適應環境的能力。同時，傳感器的布置位置也需要合理安排，確保能夠準確測量電池組的溫度。在選擇溫度傳感器時，要考慮其精度。電池組的溫度變化對于電池的性能和壽命有著重要影響，因此需要選擇高精度的傳感器來準確測量溫度變化。電池組的溫度變化非常快，需要選擇具有較快響應速度的傳感器，以及相應的數據采集和處理系統，確保能及時監測和控制溫度。電池組的溫度變化對于電池的安全性和穩定性至關重要，傳感器的選擇要具有高可靠性，才能夠準確地監測溫度變化并及時采取相應的控制措施[4]。此外，傳感器還需要具備適應惡劣環境的能力，如高溫、低溫、濕度等，這樣可以在各種環境條件下正常工作。在傳感器的布置方面，需要考慮到電池組的結構和布局。將傳感器布置在電池組的關鍵位置，確保能夠準確測量電池組的溫度變化。同時，傳感器的布置位置還應考慮到傳感器與電池組之間的熱傳導和熱輻射，才能在不受到其他因素的干擾的情況下準確測量電池組的溫度。

3.2 溫度控制算法設計

溫度控制算法需要根據電池的工作狀態和環境條件來確定合適的溫度范圍。這可通過傳感器實時監測電池的溫度，并根據預設的溫度范圍進行調整。例如，在高溫環境下，可通過控制冷卻系統的運行來降低電池溫度，而在低溫環境下，則可通過加熱系統來提高電池溫度。電池的熱容量決定了其吸熱和放熱的能力，而熱傳導特性則決定了熱量在電池內部的傳遞速度。基于這些特性，可根據電池的溫度變化率和環境溫度變化率來調整冷卻或加熱系統的運行，從而保持電池溫度在合適的范圍內。過高或過低的溫度都會對電池的性能和壽命產生負面影響，并可能導致電池的損壞甚至爆炸。因此，算法需要設置溫度上下限，并在溫度超出范圍時及時采取措施，如停止充放電或調整冷卻或加熱系統的運行。

3.3 散熱系統設計和優化

散熱系統的設計和優化對于保證電池組的溫度穩定和延長電池壽命至關重要。其設計需要考慮電池組的散熱需求和熱量產生機制。電池組在充放電過程中會產生大量的熱量，如果不能及時散熱，會導致電池溫度升高，進而影響電池性能和壽命。因此，散熱系統需要具備足夠的散熱能力，能夠有效地將電池組產生的熱量散發出去[5]。散熱系統的優化要考慮散熱材料的選擇和散熱結構的設計。所選材料應具備良好的導熱性能和散熱性能，以提高散熱效率。同時，散熱結構的設計要考慮電池組的布局和散熱路徑，以最大限度地提高散熱效果。例如，可以通過增加散熱片的數量和面積，增加散熱風扇的轉速等方式來提高散熱效率。此外，散熱系統的控制也是關鍵技術之一。通過合理的控制策略，能夠根據電池組的溫度變化來調節散熱系統的工作狀態，保持電池組的溫度在安全范圍內。例如，通過電池組的溫度變化來控制散熱風扇的轉速，以及調節散熱片的工作狀態，以實現散熱系統的自動調節和優化。

3.4 熱量回收和利用技術

熱量回收和利用技術目的是通過回收和利用電池系統產生的熱量，提高能源利用效率，延長電池壽命，同時提高車輛的續航里程。熱量回收技術主要通過熱交換器將電池系統產生的熱量傳遞給車輛的其他部件，如暖風系統、空調系統等。通過這種方式，可以減少車輛的能量消耗，提高整體能源利用效率。同時，熱交換器還能起到冷卻電池系統的作用，防止電池過熱，延長電池的使用壽命。熱量利用技術則是將回收的熱量用于車輛的其他功能，如加熱車內空間、加熱座椅等。不僅有利于提高車輛的舒適性，還能夠減少對車輛電池的能量消耗，延長電池的使用壽命。為了實現熱量回收和利用技術，熱管理控制系統需要具備一定的智能化和自適應能力。系統需實時監測電池系統的溫度和熱量產生情況，并根據實際情況進行熱量的回收和利用[6]。同時，系統還需要根據外部環境的溫度和車輛的工作狀態進行調節，保證熱量的回收和利用效果。

4 電池熱管理控制系統的實現分析

4.1 系統硬件設計

新能源汽車電池熱管理控制系統的硬件設計是實現系統功能的重要組成部分。系統需要一個主控制器來負責整個系統的協調和控制。主控制器采用高性能的微處理器或微控制器，具有強大的計算和控制能力。通過傳感器來監測電池的溫度和其他相關參數，傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器等。它們將實時監測電池的狀態，并將數據傳輸給主控制器進行處理。系統還需要執行器來控制電池的溫度。常見的執行器包括風扇、冷卻液泵和加熱器等。執行器通過主控制器的指令來調節電池的溫度，保持其在安全范圍內。另外，系統還需要一些外部接口，用于與其他系統進行通信。例如，系統可通過CAN總線與車輛的其他部件進行數據交換，以實現整車的協調控制。此外，系統還可以通過無線通信模塊與外部設備進行數據傳輸，實現遠程監控和控制[7]。

4.2 系統軟件設計

系統軟件設計是新能源汽車電池熱管理控制系統實現的關鍵環節之一。在系統軟件設計階段，需要根據系統需求和功能設計出合理的軟件架構，并實現各個模塊的具體功能。首先要明確系統的功能和性能要求。根據需求分析的結果，確定系統的整體架構和模塊劃分。在新能源汽車電池熱管理控制系統中，包括溫度監測模塊、溫度控制模塊、故障診斷模塊等。緊接著，需要進行系統的軟件架構設計。在新能源汽車電池熱管理控制系統中，可以采用分層架構，將系統分為應用層、控制層和硬件層。應用層負責用戶界面和與用戶的交互，控制層負責控制電池溫度，硬件層負責與傳感器和執行器的通信。在軟件架構設計的基礎上，需要進行具體模塊的設計。要明確每個模塊的功能和接口。例如，溫度監測模塊需要實現對電池溫度的實時監測，根據監測結果來控制電池的加熱或降溫。故障診斷模塊要實現對系統故障的檢測和診斷，并給出相應的處理措施[8]。在模塊設計的過程中，要考慮模塊之間的接口設計和數據傳輸方式。可以使用標準的通信協議來實現模塊之間的數據傳輸，例如CAN總線或者以太網。同時，還需考慮模塊的并發性和實時性要求，確保系統能夠及時響應用戶的操作和監測電池的溫度變化。

4.3 系統性能測試和評估

系統性能測試和評估是對新能源汽車電池熱管理控制系統進行全面評估和驗證的重要步驟。通過系統性能測試和評估，可以提升系統在各種工作條件下的穩定性、可靠性和性能。

系統性能測試主要包括以下幾個方面：

（1）功能測試：測試系統的溫度控制、故障檢測和保護、能量管理等功能是否正常。

（2）性能測試：測試系統在不同工作條件下的性能表現，包括溫度控制精度、能耗、響應速度等指標。

（3）穩定性測試：測試系統在長時間運行過程中的穩定性和可靠性，包括系統的故障率、壽命等指標。

（4）兼容性測試：測試系統與其他相關設備或系統的兼容性，確保系統能夠正常工作并與其他設備進行數據交互。

系統性能評估主要包括以下幾個方面：

（1）性能指標評估：對系統的各項性能指標進行評估，包括溫度控制精度、能耗、響應速度等指標，與設計要求進行對比。

（2）故障分析評估：對系統在故障情況下的響應和保護能力進行評估，分析系統對各種故障的檢測和處理能力。

（3）穩定性評估：對系統在長時間運行過程中的穩定性和可靠性進行評估，包括系統的故障率、壽命等指標。

（4）兼容性評估：評估系統與其他相關設備或系統的兼容性，確保系統能夠正常工作并與其他設備進行數據交互。

5 結束語

新能源汽車電池熱管理控制系統是保證電池性能和壽命的關鍵因素之一。其合理的設計和實施可以有效地控制電池的溫度，提高電池的充放電效率，延長電池的使用壽命。系統的設計需要考慮多個因素，包括電池的特性、環境溫度、車輛使用情況等。通過合理的算法和控制策略，可以實現對電池溫度的精確控制，提高整個系統的效能。系統的實現需要充分考慮系統的穩定性和可靠性，確保系統在各種工況下都能正常運行。

基金項目：2022年校級自然重點項目“集中式汽車檢測線故障診斷系統的研究”，項目編號：ZR2022Z1；安徽省高校質量工程項目新能源汽車技術特色高水平專業，項目編號2022tsgsp049。

參考文獻：

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[2]李活，黃鵬飛，張偉中，江傳玉.新能源汽車動力電池熱管理系統設計[J].汽車測試報告，2023（13）：80-82.

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[4]鄒艷紅.新能源汽車鋰電池熱管理系統熱性能優化控制策略[J].中國設備工程，2022（15）：89-91.

[5]閻明瀚.增程式電動汽車電池熱管理系統優化設計策略[J].汽車測試報告，2023（4）：13-15.

[6]董志輝.新能源汽車動力電池散熱管理系統優化探討[J].內燃機與配件，2022（6）：188-190.

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[8]馮治萍.新能源電動汽車的動力電池熱管理測試分析[J].專用汽車，2022（12）：68-70.