電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究

謝世濱

摘 要：電動汽車相比起傳統(tǒng)的燃油汽車具有更加清潔、更加高效的特點(diǎn)。電池的工作性能很大程度上決定了電動汽車的工作性能，而電池使工作性能又與環(huán)境溫度有關(guān)，為了進(jìn)一步提升電動汽車的安全性和使用性能，需要重點(diǎn)做好電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究工作。因此，本文對動力電池組熱管理系統(tǒng)的具體功能和必要性進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：熱管理;溫度;電池;電動汽車

電動汽車所使用的電池在運(yùn)行狀態(tài)下，由于內(nèi)部的焦耳效應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生一定的熱量，致使電池內(nèi)部溫度不斷發(fā)生變化。安裝于電池包中的動力電池由于受制于電池包的安裝位置與內(nèi)在結(jié)構(gòu)，電池組很難在較短時間內(nèi)自行散熱。另外，處于變化狀態(tài)下的外界環(huán)境也會對電池的溫度造成直接影響。通常情況下，電池受到溫度變化的影響可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）使用壽命;（2）運(yùn)行可靠性;（3）充放電效率;（4）自放電。由此可知，電動汽車的使用壽命、可靠性和使用性能很大程度上會受到溫度的影響。而電池溫度又與各種外界因素和自身因素有關(guān)，在設(shè)計電動汽車的過程中，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)提高對于電池組熱管理的重視力度，使電池在適宜的溫度下運(yùn)行，確保電動汽車在行駛的過程中維持安全可靠。

1 電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)

1.1 電池組熱管理的必要性

對于電動汽車來說，電池是十分重要的儲能單元，并且與汽車的整體性能有著十分密切的關(guān)系，有必要對電池組的溫度進(jìn)行有效的管理。電池組熱管理的必要性可以歸納為以下幾點(diǎn)：（1）電池組的熱管理和熱監(jiān)控與整車運(yùn)行的安全性密切相關(guān);（2）若電池包內(nèi)溫度不均勻，將會直接造成各單體電池、保持模塊之間性能上的差異;（3）若電池在比較惡劣的溫度環(huán)境下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將會大幅縮短電池使用壽命、降低電池充放電容量與功率。

1.2 電池組熱管理系統(tǒng)的功能

電池組熱管理系統(tǒng)具體包括監(jiān)測控制設(shè)備、傳熱介質(zhì)以及電池箱等部件，能夠?qū)﹄姵亟M運(yùn)行狀態(tài)下的溫度進(jìn)行有效的控制。

電池組熱管理系統(tǒng)的具體功能主要包括以下幾點(diǎn)：（1）避免電池因熱失控而出現(xiàn)爆炸或失效的危險;（2）在電池溫度過低的情況下能夠起到良好的保溫作用并具有快速加熱功能;（3）維持電池包溫度均衡，防止由單體電池之間的性能差異影響整車的運(yùn)行性能。

2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)

2.1 確定電池最優(yōu)工作溫度范圍

在不同的車輛運(yùn)行工況下和不同的氣候條件下，電池溫度也會呈現(xiàn)較大的變化。采用熱管理技術(shù)對電池溫度進(jìn)行控制，首先應(yīng)當(dāng)對電池最佳的使用環(huán)境溫度進(jìn)行判斷。

對電池溫度特性進(jìn)行分析是明確電池最優(yōu)使用溫度的主要手段。電池的溫度特性具體指的是在不同溫度下，電池充放電效率、SOC、開路電壓和內(nèi)阻的表現(xiàn)情況。針對電池溫度特性的分析可以通過仿真和實驗兩種方法進(jìn)行探究。實驗測量方法的優(yōu)勢在于分析結(jié)果相對精確，能夠?qū)㈦姵氐恼鎸嵦匦苑从吵鰜恚秉c(diǎn)在于耗時長并且工作量大。若通過專業(yè)軟件進(jìn)行仿真分析，也能夠一定程度上將電池溫度特性反映出來，但準(zhǔn)確性相對較低。

2.2 電池?zé)釄鲇嬎慵皽囟阮A(yù)測

電池本身的散熱性能較差，若單純依靠溫度傳感器對電池表面溫度進(jìn)行測量無法將電池內(nèi)部的熱狀態(tài)充分反映出來。借助數(shù)學(xué)計算模型對電池內(nèi)部溫度場進(jìn)行計算，能夠?qū)ζ鋬?nèi)部的熱行為進(jìn)行預(yù)測，是對電池組熱管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

對于鋰離子電池來說，若要計算其內(nèi)部溫度場，可以通過以下公式進(jìn)行計算：

上市將溫度記為T，將平均密度記為ρ，將電池比熱記為Cρ，將電池在x、y、z三個方向上的導(dǎo)熱率分別記為kx、ky、kz;將單位體積生熱速率即為q;利用專門的量熱計能夠獲取電池生熱速率，再通過有限元法對電池的溫度場進(jìn)行計算。

2.3 傳熱介質(zhì)的選擇

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)一般情況下所采用的傳輸介質(zhì)通常包括相變材料、液體以及空氣等。

其中最簡單的方式為空氣冷卻，利用氣流對電池表面進(jìn)行散熱處理，其應(yīng)用優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)：（1）成本相對較低;（2）在電池產(chǎn)生有害氣體的情況下可以起到通風(fēng)效果;（3）不存在漏液問題;（4）重量相對較輕并且結(jié)構(gòu)簡單?？諝饫鋮s的缺點(diǎn)在于加熱、冷卻速度較慢，換熱系數(shù)較低。

液體冷卻具體包括直接接觸和非直接接觸兩種方式。直接接觸傳熱介質(zhì)，通常以礦物油為主，非直接接觸傳熱介質(zhì)主要包括防凍液和水兩種。對電池進(jìn)行液體冷卻一定要設(shè)置專門的換熱設(shè)施，但卻一定程度上影響了換熱效率。液體冷卻的應(yīng)用優(yōu)勢可歸納為以下幾點(diǎn)：（1）體積相對較小;（2）加熱、冷卻速度較快。其應(yīng)用劣勢主要包括：（1）結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且需要設(shè)置換熱器、水套等部件;（2）保養(yǎng)和維修復(fù)雜;（3）存在漏液的可能。

相變材料冷卻方法能夠?qū)ν饨绲臒崃窟M(jìn)行直接吸收，該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)主要在于能夠延緩電池的溫升速率，在一定條件下進(jìn)行溫度控制，缺點(diǎn)在于成本較高且需要配合其他冷卻系統(tǒng)使用。

2.4 溫度傳感器的數(shù)量判斷

溫度測量的全面性與傳感器數(shù)量成正比，但系統(tǒng)成本也會相應(yīng)的增加。尤其是在長時間運(yùn)行狀態(tài)下，溫度傳感器也可能會出現(xiàn)故障。因此，熱管理系統(tǒng)中所設(shè)置的傳感器數(shù)量應(yīng)當(dāng)盡量充足。在涉及熱管理系統(tǒng)的過程中，設(shè)計者需要依照具體的散熱需求對溫度傳感器的數(shù)量進(jìn)行有針對性的調(diào)整。

由于電池包內(nèi)電池組溫度分布不均勻，需要通過實時多點(diǎn)溫度監(jiān)測、紅外熱成像技術(shù)或有限元分析的方法對單體電池、電池模塊和電池組的熱場分布進(jìn)行測量與分析，對測量點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行判斷，并分析出測量點(diǎn)的最佳位置。在設(shè)計電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的過程中，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)確保溫度傳感器與冷風(fēng)完全隔離，保證溫度測量結(jié)果的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

2.5 加熱系統(tǒng)功率和風(fēng)機(jī)功率的選擇

若電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)以空氣為傳熱介質(zhì)，則需要通過流體力學(xué)、理論計算以及實驗等方法來對風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行合理性的選擇。在流動阻力較小的情況下，可以采用離心式風(fēng)扇。

3 電池包的設(shè)計

對于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來說，電池包的設(shè)計工作是一項十分重要的內(nèi)容，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的工作效率、安裝與選型均與電池包的設(shè)計有著十分密切的關(guān)系。在著手設(shè)計電池包之前，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)對車內(nèi)各種部件的空間需求進(jìn)行充分的考慮，并結(jié)合具體的電池數(shù)目、冷卻方式進(jìn)行綜合設(shè)計。通過ANSYS等軟件分析電池包的熱特性。依照分析結(jié)果對電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。若電池包采用空氣冷卻技術(shù)，可以通過FLUENT等流體分析軟件來分析其流體力學(xué)，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計風(fēng)道。

4 空氣冷卻技術(shù)應(yīng)用的注意事項

由于空氣冷卻技術(shù)成本低廉，在我國電動汽車發(fā)展的初級階段，該技術(shù)必然會得到廣泛的應(yīng)用。因此，本文對空氣冷卻技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)注意事項進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

從冷卻方式的角度可以將空氣冷卻劃分為強(qiáng)迫空氣冷卻和自然對流冷卻兩種方式;從電池通風(fēng)方式的角度可以將空氣冷卻劃分為并行和串行兩種方式。

自然對流冷卻指的是通過在汽車行駛狀態(tài)下所產(chǎn)生的空氣對流來冷卻電池組，這種方法成本較低并且簡單易行，但對于電池封裝設(shè)計和電池形狀設(shè)計有著較高的要求，需要通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選型來增加電池散熱能力。強(qiáng)迫空氣冷卻技術(shù)所使用的冷風(fēng)來自于汽車自帶的蒸發(fā)器，即利用風(fēng)扇對電池實施冷卻處理，通常在排氣通道出口位置安裝風(fēng)扇。

在串行通風(fēng)冷卻方式下，冷卻效果并不均勻，會使電池表面溫度存在差異。而并行通風(fēng)方式會使單體電池間的溫度更加均勻，但卻需要對集流板的傾斜角度和電池間通道的間距進(jìn)行合理化的設(shè)計，以確保冷風(fēng)流速均勻。

5 結(jié)束語

當(dāng)前我國已經(jīng)進(jìn)入到新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵階段，如何提高電動汽車的使用性能已經(jīng)成為相關(guān)企業(yè)十分重要的研究課題之一?，F(xiàn)階段我國在電動汽車技術(shù)方面的研究，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)集中在電池性能方面，對電池散熱性能進(jìn)行優(yōu)化與改良是最具核心地位的工作內(nèi)容。設(shè)計要求相關(guān)企業(yè)不斷加強(qiáng)專業(yè)理論知識的應(yīng)用水平，對以往的設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行不斷的總結(jié)與分析，最大程度上提升電池組熱管理系統(tǒng)的技術(shù)含量。

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