深度混合動(dòng)力轎車動(dòng)力合成系統(tǒng)的熱平衡研究

孫哲浩

摘 要：新能源汽車的三大核心技術(shù)電機(jī)、電池、電控中結(jié)合新材料、新技術(shù)的動(dòng)力電池，作為新能源汽車的動(dòng)力來源，是車輛動(dòng)力性、舒適性、安全性的最終保證。當(dāng)前的純電動(dòng)汽車在續(xù)航性能來說，性價(jià)比還不能盡如人意，在當(dāng)前技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈形勢(shì)下，混合動(dòng)力汽車則是一條有效途徑。同時(shí)，新能源汽車的動(dòng)力電池和內(nèi)燃機(jī)的熱管理系統(tǒng)，對(duì)未來新能源混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)有著重大的意義。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；熱管理系統(tǒng)；新能源；HEV TMS

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-07-03

Abstract： The three core technologies of new energy vehicles Power batteries that incorporate new materials and new technologies in motors， batteries， and electronic controls are the power source for new energy vehicles and are the ultimate guarantee for vehicle dynamics， comfort， and safety. Current pure electric vehicles are not as cost-effective in terms of endurance performance. Under the current situation of technology and industry chain， hybrid vehicles are an effective way. At the same time， the thermal management system of the power battery and the internal combustion engine of new energy vehicles will have great significance for the future design of new energy hybrid vehicles.

Keywords： hybrid； thermal management system； new energy； HEV TMS

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-07-03

前言

從全球能源來看，新能源汽車是人們找到的一個(gè)行之有效的解決全球性能源危機(jī)的良好方案。從全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)來說，新能源汽車背后所帶動(dòng)的整個(gè)新型產(chǎn)業(yè)鏈，涉及新材料，包含動(dòng)力電池、新型極板材料等；從全球環(huán)境來看，新能源汽車低碳零排放電池?zé)o害化處理，將為全球性的環(huán)境危機(jī)帶來曙光。我國(guó)近年來汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，帶動(dòng)了一批本土企業(yè)的崛起，像比亞迪、廣汽傳祺、吉利汽車、長(zhǎng)城汽車等。數(shù)據(jù)顯示，2015年我國(guó)汽車保有量達(dá)1.5億輛，預(yù)計(jì)2020年汽車保有量將達(dá)到2億輛大關(guān)，傳統(tǒng)能源汽車帶來的諸多環(huán)境問題，將使新能源汽車獲得一展拳腳的舞臺(tái)。

1 發(fā)展背景

汽車用動(dòng)力電池應(yīng)具有較高的能量密度以及輸出功率，一般應(yīng)用在電動(dòng)車輛、電動(dòng)工程工具上；或者作為發(fā)電、電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰補(bǔ)充裝置等。

回望動(dòng)力電池的發(fā)展歷程，在實(shí)踐中應(yīng)用最早的是鉛酸蓄電池，其采用二氧化鉛作為正極材料、金屬鉛作為負(fù)極材料、硫酸溶液的電解液。這種電池具有成本低、技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)。但是其較低的能量密度和比功率，同時(shí)含有鉛元素，對(duì)環(huán)境不友好等因素限制了它的發(fā)展。

鉛蓄電池總的化學(xué)方程式為：

另一種應(yīng)用廣泛的是堿性鎳鎘電池，這種電池的正極材料使用的是氫氧化鎳，鎘粉作負(fù)極活性材料，電解液為氫氧化鉀溶液。這種電池與鉛酸蓄電池相比而，其比能量和比功率相對(duì)較高，易于密封，因此也更容易制造成免維護(hù)電池。不過它的諸多缺點(diǎn)也不容忽視，比能量和輸出功率仍舊不能滿足電動(dòng)車的應(yīng)用要求，并且這種電池所具有的記憶效應(yīng)，這給鎘鎳電池的發(fā)展帶來瓶頸。鎘的有毒特性，對(duì)自然環(huán)境有害。在強(qiáng)調(diào)對(duì)環(huán)境友好的當(dāng)下，是一個(gè)不容忽視的問題。

堿性鎳鎘電池化學(xué)方程式為：

充電陽(yáng)極：2Ni（OH）2-2e—+2OH-==2NiOOH+2H2O

充電陰極：Cd（OH）2+2e-==Cd+2OH-

放電陽(yáng)極：2NiOOH + 2H2O+2e-==2Ni（OH）2+ 2OH-

放電陰極：Cd+2OH--2e==Cd（OH）2

多年來，隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，具有諸多優(yōu)勢(shì)的金鎳氫動(dòng)力電池應(yīng)運(yùn)而生。這種電池的正極活性物質(zhì)為氫氧化鎳，由于貯氫合金的特性，因此用貯氫合金作負(fù)極活性物質(zhì)。與鎳鎘電池相比，電池同樣使用氫氧化鉀溶液為電解液。鎳氫電池具有更高的能量密度和比功率，可獲得更大的功率輸出，同時(shí)鎳氫電池沒有記憶效應(yīng)，它的充放電循環(huán)壽命與鎳鎘電池相似。其優(yōu)勢(shì)在于鎳氫電池對(duì)環(huán)境友好，是一種綠色環(huán)保型電池。此外，鎳氫電池具有與鎘鎳電池相同的開路和工作電壓等參數(shù)，可取代鎘鎳電池，易于大面積應(yīng)用推廣。

全球各大整車廠商紛紛發(fā)力新能源汽車，希望能在這一波技術(shù)奇點(diǎn)上有所突破，從而在這個(gè)領(lǐng)域占有一定的市場(chǎng)份額。美國(guó)的特斯拉定位電動(dòng)跑車，其Modle系列采用的三元鋰電池，是新型電池方案之一；單體電池組合化也是新能源汽車的解決電池有效方案。新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，這使新能源汽車的動(dòng)力電池的性能在不斷提高。雖然當(dāng)下的動(dòng)力電池能在一定程度上滿足城市車輛的一般需求，但是在其他諸多性能上還不能滿足實(shí)際需求。

2 熱平衡對(duì)混合動(dòng)力的影響

2.1 溫度因素

新型電池的特點(diǎn)在于無污染無記憶，這種優(yōu)勢(shì)可以廣泛適用于各種新能源汽車。但新能源汽車的高頻率、大電流放電，在這種情況下出現(xiàn)的一些問題應(yīng)該引起重視，比如過放電現(xiàn)象所導(dǎo)致的動(dòng)力電池溫度劇烈變化，從而影響電池的輸出性能。

2.2 單體電池一致性因素

即使嚴(yán)格、先進(jìn)的工藝，在同一批生產(chǎn)的單體電池中也會(huì)存在著較大的差別，當(dāng)打包成電池組時(shí)，單體電池的不一致特性會(huì)對(duì)這整個(gè)電池組的充放電性能有極大影響，從而影響新能源汽車的整體性能。

3 創(chuàng)新電池組分析

新型電池組的創(chuàng)新在于利用三維熱模型良好地解決了動(dòng)力電池的熱平衡問題，同時(shí)在電池組充放電過程中對(duì)溫度環(huán)境進(jìn)行控制，使之良好穩(wěn)定在10-30 攝氏度之間。這種由電解液流動(dòng)性較差所導(dǎo)致的電解液對(duì)流換熱問題，以及動(dòng)力電池內(nèi)部輻射對(duì)散熱的影響被良好的解決。在產(chǎn)品材料上，使用介質(zhì)均勻且密度相同的性能優(yōu)良材料，進(jìn)行電池的制造，這也是一種有效的保證動(dòng)力電池材料厚度相同的方案之一。在電池Cell的連接方式上進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算，從理論上保障電池Cell比熱容與導(dǎo)熱效率的一致性。最后進(jìn)一步利用非穩(wěn)態(tài)傳熱能量守恒公式檢驗(yàn)動(dòng)力電池充放電性能，避免動(dòng)力電池受剩余電量（SOC）值的影響。

單體電池的工作環(huán)境，如放電電流、充電電流、充電電壓、充放電壓、環(huán)境溫度、濕度都會(huì)對(duì)電池組產(chǎn)生影響。較穩(wěn)定的電網(wǎng)環(huán)境會(huì)保障動(dòng)力電池穩(wěn)定的充電電壓和電流，從而延長(zhǎng)使用壽命，并為汽車可靠運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。保持動(dòng)力電池充電時(shí)電流的穩(wěn)定性以及后期電池之間的相互可靠傳輸都對(duì)新型混合動(dòng)力的新能源汽車的正常重要意義。

4 電池?zé)崞胶夤芾硐到y(tǒng)（BMS）

電池?zé)崞胶夤芾硐到y(tǒng)（Battery Management System， BMS）的主要設(shè)計(jì)目的是使電池組在合適的溫度范圍內(nèi)工作，實(shí)時(shí)將車輛各種即時(shí)車況，提供給整車控制系統(tǒng)，使車輛工作在最佳狀態(tài)，提高車輛整體性能。根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。電池?zé)崞胶夤芾硐到y(tǒng)主要監(jiān)測(cè)電池剩余電量soc、溫度等參數(shù)、電池狀態(tài)估計(jì)、自動(dòng)熱均衡、充放電控制、電池?zé)峁芾淼取?/p>

動(dòng)力電池的熱平衡管理相關(guān)問題影響其使用性能、使用壽命、使用使用成本和安全性。溫度的變化對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的整體性能有著重大的影響。諸如電池的功率、容量、充放電性能、充放電安全性和使用壽命等。溫度較低時(shí)，電池的極板、電解液活性降低，化學(xué)反應(yīng)減緩，電池soc迅速衰減，在過低溫度下（如低于0℃）對(duì)電池進(jìn)行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現(xiàn)象，造成內(nèi)部析鋰并進(jìn)而引發(fā)短路。其次，鋰離子電池在過充情況下會(huì)有鼓漲，甚至爆炸的可能。另外，鋰離子電池的工作或者存放溫度影響其使用壽命。電池的合適溫度在10-30度之間，過高或過低的溫度，都將引起電池的性能衰減。電池包和單體電池的溫度不均勻使局部溫度過高或者過低造成電池一致性降低，從而影響整個(gè)電池包的對(duì)外放電性能。

混合動(dòng)力汽車電池?zé)崞胶夤芾硐到y(tǒng)主要包含以下幾個(gè)方面：（1）當(dāng)電池組溫度超過或合適的工作溫度時(shí)，能有效提高和降低溫度，保證合適的工作環(huán)境，提高動(dòng)力電池充放電性能。（2）確保電池組整體溫度的一致性，提高單體電池的一致性。（3）準(zhǔn)確監(jiān)控動(dòng)力電池的溫度、剩余電量。保持這種環(huán)境一般有4種行之有效的方案，其一風(fēng)冷，其二人工強(qiáng)制風(fēng)冷、其三水冷、其四冷卻相變材料。伴隨著新材料技術(shù)的不斷革新，會(huì)出現(xiàn)更多能夠?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車熱平衡提供更有效的合理方案。

5 結(jié)語(yǔ)

混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池組的熱管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)汽車的使用都具有極其重要的影響，研究電池的熱安全性，提高電池組的熱效率，增加電池組的一致性可以較好的保障新能源動(dòng)

力汽車的使用以及壽命。其次研究動(dòng)力電池的熱性能方面的問題建立相應(yīng)的仿真模型，增加更方面的放電頻率，對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行冷卻分析，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化政策，對(duì)動(dòng)力電池組模型進(jìn)行不同情況下的模擬驗(yàn)證，以確定最適應(yīng)三維熱模型的各方面要求，尋找最適合新能源汽車的動(dòng)力電池溫度以及放電電流，研究適合混合動(dòng)力汽車動(dòng)力的電池組正負(fù)極材料以及正負(fù)極空隙率和有效接觸面積，嚴(yán)謹(jǐn)動(dòng)力電池的制作水平，以便于更好的投入到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中去。

參考文獻(xiàn)

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