新能源汽車動力電池組均衡充電策略及熱失控預警機制研究

摘要：新能源汽車動力電池組作為關鍵能源儲備部件，其工作性能和安全性對整車性能至關重要，研究電池組均衡充電策略和熱失控預警機制意義重大。首先闡述了電池組充電原理和熱失控風險，分析了導致單體電池不均衡和熱量積累的主要原因，然后針對不均衡問題提出了一種新型充放電均衡控制策略，并建立了新能源汽車動力電池組熱失控預警機制，為新能源汽車電池組設計和熱管理系統優化提供理論指導和技術支持。

關鍵詞：動力電池組；均衡充電；熱失控預警；控制策略

中圖分類號：U469.7" 收稿日期：2024-12-06

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502026

1 前言

隨著能源短缺和環境污染問題的日益嚴峻，新能源汽車作為綠色出行的重要方式受到高度重視，其核心部件動力電池組的性能和安全將直接影響整車的續駛里程、能耗水平和使用壽命[1]。動力電池組通常由成百上千個單體電池串并聯組成，電池在長期使用過程中由于材料和工藝差異等原因會導致單體電池之間出現不均衡現象，嚴重時將影響整個電池組的工作性能。電池在充放電過程中伴隨著熱量的釋放和積累，一旦溫度超過安全臨界值就可能引發熱失控。

因此，針對電池組均衡充電控制策略及熱失控風險預警機制的研究具有重要的理論意義和應用價值，可為提高新能源汽車動力系統整體性能和使用安全奠定技術基礎。

2 新能源汽車動力電池組充電工作機理及熱失控風險

動力電池組的核心是由多個單體電池串并聯而成，每個單體電池本質上是一種電化學儲能裝置，在充電過程中，通過外接電源將電能轉化為化學能并存儲在電池內部[2]。具體來說，電池正負極各自浸沒在電解液中，它們之間存在電位差。當外接電源時，正極將吸引電解液中的陰離子，發生還原反應，負極則吸引陽離子，發生氧化反應。

通過上述兩個半反應，電池正負極就分別富集和損失電子，從而形成電荷存儲，即化學能的形式，同時這個過程還涉及離子在電解液中的遷移和擴散，以維持電化學反應的持續進行。在電池組層面，為了實現能量密度最大化和電壓匹配要求，需要將大量單體電池并聯成簇，再把多個簇串聯組成整個動力電池組。由于存在工藝差異和使用環境差異，單體電池之間很容易出現不平衡現象，進而導致總電壓分布不均，影響整組充電效率。因此，需要制定恰當的均衡策略對單體進行調節。

電池在充放電循環過程中，內部會伴隨著熱量的釋放和積累，這是由于電化學反應的不可逆性和電阻效應所致。當電池溫度超過一定閾值后，就可能引發一系列熱失控風險。高溫會加速電解液分解，產生可燃氣體如氫氣，導致電池膨脹破裂[3]。高溫加速正負極材料的分解，釋放出熱量，形成熱失控反饋回路，高溫還加劇了電極材料與電解液之間的副反應，產生更多熱量，同時副反應會生成導電微粒，增大內部短路風險。一旦發生內部短路，將造成劇烈發熱，使電池組溫度急劇升高，很快失去控制。

3 新能源汽車動力電池組均衡充電策略

正如上文所述，由于單體電池在制造、使用環境和歷史等方面的差異，整個電池組內部很容易出現電量分布不均衡的現象，進而降低整組的充放電效率。因此，針對電池組充電過程中的不均衡問題，制定恰當的均衡控制策略就顯得尤為重要。

31 混合均衡策略

在新能源汽車的動力電池管理系統中，均衡充電策略是保證電池組健康、延長其使用壽命并提升整車性能的關鍵技術之一。混合均衡策略，作為動力電池組均衡技術的一種先進形式，有效地結合了被動均衡和主動均衡技術的優勢，以達到更高效和經濟的電池管理效果。

混合均衡策略在實施中，充分利用主動均衡技術的高效率和被動均衡技術的低成本和簡易性的特點。主動均衡技術通過電能轉移的方法，如使用電感、變壓器或電容來調整電池單體之間的能量差異，這種方式雖然可以快速均衡電池組的電壓，但成本較高、結構復雜。而被動均衡通常通過在單體電池上并聯一個放電電阻來消耗多余的電能，以達到均衡的目的，這種方式成本低，但放電過程中能量以熱的形式損失，效率較低[4]。混合均衡策略通過智能控制系統，在電池充電過程中根據電池組狀態和充電條件智能選擇使用主動均衡或被動均衡，或者兩者結合使用。例如，在快速充電階段或電池組電壓差異較大時優先使用主動均衡技術，以快速減少電壓差異，當電壓平衡接近目標狀態時則轉為被動均衡，以降低能耗和成本。

混合均衡策略的核心在于其背后的智能控制系統和優化算法，這一策略的實施需要實時監控和分析電池各單體的電壓、溫度和充電狀態，然后通過復雜的算法來決定采取的均衡方式，這種智能控制提高了均衡效率，能有效預防因均衡不當導致的電池性能衰減和壽命縮短。優化算法可以基于電池的歷史數據和充電模式，預測電池未來的使用狀態和充電需求，從而動態調整均衡策略，根據電池的實時數據來調整充電電流和電壓，以最大限度地減少充電時間和能量損耗。

混合均衡策略通過有效地結合主動和被動均衡技術，并輔以高級的控制算法，優化了電池充電過程中的能量分配和利用率，極大地提高了電池組的整體性能和壽命，這種策略的靈活性和智能化程度，使其能夠適應不斷變化的充電條件和電池狀態，為新能源汽車的電池管理提供了一種高效、經濟且可靠的解決方案。

32硬件均衡電路設計

新能源汽車的動力電池組均衡充電策略中，硬件均衡電路設計可以確保電池組能夠有效、安全地進行充電和放電，這種設計通常涉及精密的電子元件與復雜的電路布局，其主要目的是確保電池組中的每個單體電池都能達到相同的電壓水平，從而最大化整個電池組的性能和壽命。

硬件均衡電路主要分為被動均衡和主動均衡兩種方式。被動均衡電路設計簡單，成本較低，通常由放電電阻和控制晶體管組成，當電池單體電壓高于設定閾值時，控制晶體管導通，使得高電壓電池通過電阻放電，電能以熱的形式耗散，從而降低該電池的電壓，盡管此方法能量損耗較大，但在成本和實施的復雜度方面具有優勢。相比之下，主動均衡電路則更為復雜和高效，它通過電能轉移的方式（如使用電感、變壓器或電容），將高電壓電池的多余能量轉移到低電壓電池上，這種方式成本和設計難度更高，但可以實現能量的再利用，減少能量浪費，提高整體電池組的效率。為了實現最優的均衡效果，硬件設計需要精確計算電路參數，如電阻值、電感規格、開關頻率等，并采用適當的電子元件以承受預期的電壓和電流。

在硬件均衡電路的設計中，集成和控制策略的實施同樣至關重要，包括電路的物理布局、電子元件的選擇以及控制邏輯的實現。現代電池管理系統（BMS）采用微控制器或專用集成電路（ASIC）來精確控制均衡電路的工作，設計中必須考慮到電路的熱管理、電磁兼容性（EMC）和長期可靠性。例如，電路板的布局應確保敏感元件遠離高溫區域，并采用適當的散熱措施。此外，均衡電路需要與BMS軟件緊密集成，軟件通過實時監控各單體電池的狀態（如電壓、溫度等），動態調整均衡動作，確保電池組的最優工作狀態。

通過上述兩點的實施，硬件均衡電路設計能夠有效地維持電池組中各單體電池的電壓一致性，提高整個系統的安全性和穩定性，這種設計的成功實施，需要電子工程師具備深厚的電路設計知識和實踐經驗，同時也需要持續的技術創新來應對新能源汽車電池技術的快速發展和日益嚴格的性能要求。

4 建立新能源汽車動力電池組熱失控預警機制

除了要解決電池組不均衡問題之外，預防電池組發生熱失控也是動力電池安全管理的另一個重中之重，電池在充放電過程中會不可避免地伴隨著熱量的釋放和積累，如果溫度超過閾值就可能引發一系列熱失控風險，如電解液分解產生可燃氣體、正負極材料分解加劇熱源、內部短路導致劇烈放熱等，這種失控狀態一旦發生且沒有及時撲救，極易蔓延至整個電池組，造成災難性后果。

41 建立電池組熱模型

建立新能源汽車動力電池組的熱模型是對電池在不同操作條件下的熱行為進行預測與分析，以便及時預警可能的熱失控情況，這一過程涉及復雜的物理、化學反應的建模，以及實時數據監測與模擬。有效的熱模型可以幫助電池管理系統（BMS）采取預防措施，避免電池過熱甚至火災事故的發生。

建立熱模型的第一步是準確描述電池的熱物理特性，包括熱容、熱導率等，這些參數對于模擬電池在充放電過程中的溫度變化至關重要。通常，這些參數的確定需要通過實驗室測試獲取，測試包括加熱實驗、恒溫實驗等，研究人員通過這些實驗可以測量電池在不同操作條件下的熱響應，這一階段還需考慮電池老化對其熱物理特性的影響，老化電池的熱導率和熱容可能會發生變化，這需要通過長期的循環測試來確定，具體的參數化可以參考表1。

一旦電池的熱物理特性被準確量化，下一步是構建數學模型來描述電池在實際使用中的熱行為，這個模型需要包括電池內部的熱源產生機制，如焦耳熱、化學反應熱等，以及熱量在電池內部和電池組中的傳遞過程。模型的建立通常采用有限元分析（FEA）或計算流體動力學（CFD）技術，以模擬電池在不同的充放電速率、環境溫度和電池配置下的溫度分布，這種模型的建立需要軟件工具如ANSYS、COMSOL Multiphysics等專業仿真軟件的支持，這些模型需與實時監測系統集成，實時輸入實際操作數據，如電流、電壓、環境溫度等，以預測電池的溫度變化和可能的熱失控風險，如表2所示。

通過這兩個步驟的細致工作，可以建立一個反映電池實際熱行為的精確模型，為電池管理系統提供重要的數據支持，使其能夠實時監控電池的熱狀態并采取措施預防熱失控，延長電池的使用壽命。

42 設計熱量預測算法

在新能源汽車動力電池組的熱失控預警機制中，設計熱量預測算法旨在基于實時數據和歷史行為分析，預測電池在未來操作條件下的熱狀態，從而在達到熱失控臨界點之前采取預防措施。

電池在運行過程中的熱量主要來源于內部的焦耳熱和化學反應熱，焦耳熱可以通過實時監測電池的電流和電阻來預測，而化學反應熱則需要根據電池的充放電狀態、溫度以及電池化學性質來估算。熱量生成的總預測可以表示為以下公式：

式中，[k]為熱導率；[ρ]為密度；[cp]和[cv]分別為定壓和定容比熱容；[V]為電池體積。這個方程考慮了由于內部熱源和熱傳導造成的溫度變化，可以通過數值方法如有限差分法進行求解。對于電池組的整體熱行為，研究人員還需要考慮電池間的熱影響和外部散熱條件，這通常需要結合實驗數據和仿真分析，使用計算流體動力學（CFD）工具來優化電池組的布局和散熱設計，確保電池在高負載或惡劣環境下仍能穩定工作。

通過這兩個步驟，熱量預測算法能夠實時監控電池的熱生成和熱傳遞情況，為電池管理系統提供數據支持，從而有效預防和管理電池可能的熱失控風險。這種算法的設計在提高電池安全性的同時，也有助于提升電池的使用效率和壽命。

5 結語

本文闡述了新能源汽車動力電池組均衡充電策略及熱失控預警機制的研究內容。首先介紹了電池組的充電原理和熱失控風險，分析了導致單體電池不均衡和熱量積累的主要原因，提出了一種混合均衡策略，結合主動和被動均衡技術，并輔以智能控制算法，在提高充電效率的同時降低了成本。隨后在硬件電路設計方面，對被動均衡和主動均衡電路進行了詳細闡述，強調了硬件布局及與BMS軟件的集成對系統可靠性的重要性。

針對熱失控風險，本文建立了電池組熱模型，通過精確描述電池的熱物理特性、內部熱源產生及熱量傳遞機制，為預測分析奠定基礎，并在此基礎上設計了熱量預測算法，有助于電池管理系統實時監控，提前預警并采取措施防范熱失控風險。本文的研究成果為電池組設計和熱管理系統優化提供了理論指導和技術支持，對于提升新能源汽車的續航里程、安全性能和使用壽命具有重要意義。

參考文獻：

[1]王志寶，尋千秋，呂霞新能源汽車動力電池組匯流排熱仿真研究[J]中國汽車，2023（3）：47-52

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[3]何健新能源汽車電池系統的安全性設計策略及其實證研究[J]時代汽車，2024（7）：109-111

[4]郭彬，汪浩新能源汽車動力電池組性能影響因素分析[J]汽車測試報告，2023（23）：70-72

作者簡介：

馮培家，男，1995年生，助教，研究方向為新能源汽車動力與檢測維修。