混動汽車的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究

摘要：新能源汽車和傳統(tǒng)汽車相比，其能源消耗更加環(huán)保，而且對化石燃料的需求也很小，現(xiàn)在已經(jīng)變成市場上的主要發(fā)展方向。我國混動新能源汽車行業(yè)對一些新能源技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻克，目前在動力電池和控制器以及充電樁方面有了非常大的突破，掌握了很多的關(guān)鍵技術(shù)?；靹有履茉雌嚨陌l(fā)展與動力電池息息相關(guān)，而動力電池的主要性能與其溫度有很大的關(guān)聯(lián)，所以要設(shè)計(jì)合理的熱管理系統(tǒng)，這對提高整車動力性以及經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：混動汽車;動力電池;熱管理系統(tǒng)

0 ?引言

當(dāng)前市場上的主要新能源汽車仍然是混合動力汽車，它的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保，而且行駛距離也比較長?；旌蟿恿ζ囍饕蓜恿﹄姵亍⒖刂破?、發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組等多種部件組成，每個組成部件只有互相協(xié)調(diào)工作，才可以較好發(fā)揮整車的性能。混動汽車的技術(shù)基本已經(jīng)很成熟了，且已經(jīng)大量投入到商業(yè)使用中，可是汽車電池的安全性能和壽命問題還是存在的，這就使得混動新能源汽車還存在一定的安全隱患。這些問題都和動力電池的熱特性密切相關(guān)，因此，對動力電池的熱特性進(jìn)行研究是非常具有意義的。傳統(tǒng)的汽車通常使用的是化石燃料，而化石燃料的使用會增加對環(huán)境的污染。各國對汽車使用的相關(guān)規(guī)范越來越嚴(yán)格，各個汽車生產(chǎn)商必須按照規(guī)章來進(jìn)行汽車制造，為了滿足這些規(guī)章要求和節(jié)能環(huán)保的雙重目的，新能源混動汽車就出現(xiàn)了。我國也利用好了這個機(jī)會，通過一些汽車攻關(guān)項(xiàng)目，掌握了很多新能源汽車的核心技術(shù)，為了在世界新能源汽車市場具有一定的競爭力，很多國家都研制出了多種新能源汽車，其中混動汽車又是其中的重要部分。

1 ?混動汽車的類型

混合動力汽車指的是由兩種不同的動力源對汽車產(chǎn)生驅(qū)動作用，進(jìn)行驅(qū)動的汽車，它是傳統(tǒng)汽車向純電動汽車過度的一種汽車類型。雖然混動汽車比較節(jié)能環(huán)保，但是或多或少還有一點(diǎn)尾氣排放，對環(huán)境還有一定的影響。純電動汽車指的是驅(qū)動全部由可充電電池（如鉛酸電池、鋰離子電池、燃料電池等）來進(jìn)行驅(qū)動的汽車，不存在污染氣體的排放，因此純電動車也是未來汽車的發(fā)展大方向。對混動汽車按照驅(qū)動方式可以分成串聯(lián)式，并聯(lián)式以及混聯(lián)式混動汽車;根據(jù)不同能源的比例關(guān)系可以分為微混合動力汽車、輕混合動力汽車、中混合動力汽車和強(qiáng)混合動力汽車;根據(jù)汽車用電池包電量的來源還可分成荷電消耗型與荷電維持型混合動力汽車。這幾類基本概括了目前市場上的混合動力汽車種類[1]。

2 ?電池?zé)峁芾淼默F(xiàn)狀

通常來說，溫度對動力電池的性能影響比較大，溫度較低的時(shí)候，電池內(nèi)阻較大，容量也變小，充電和放電的能力也變差;在溫度較高的時(shí)候，一些電池原料會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，比如燃燒或者爆炸。如果電池包里面的電池每個點(diǎn)的溫度分布不均勻，那么單體之間的差異性也比較大，這就會影響到電池包的性能，而且對電池的壽命也會產(chǎn)生很大的影響。因此，對電池包的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。

在國內(nèi)，很多鋰電池?zé)岱治龆疾粫﹄姵卦谑褂眠^程中的溫度場進(jìn)行分析，一般都只分析鋰電池的高溫或者低溫時(shí)的穩(wěn)定性能，不知道電池為何會溫度升高。一般來說，動力電池的運(yùn)行環(huán)境都很差，常常處于一個大電流的充放電狀態(tài)，如果不把電池SOC以及充放電電流結(jié)合起來對電池的溫度場分布進(jìn)行分析，那么就不會得到電池組的正確溫度分布。所以，對這些方面的研究還需要進(jìn)一步進(jìn)行深入。而國外對這些方面的分析相對就非常多了，而且開始的時(shí)間也比較早。國外通常研究的是鋰電池和鎳氫電池比較多，其研究方法也大多類似。研究鋰電池一般按照幾個模型進(jìn)行分析，分別是電化學(xué)-熱耦合模型、熱濫用模型和電-熱耦合模型，而鋰電池的熱特性分析通常使用熱濫用模型。這些研究分析模型都對應(yīng)著不同的分析范圍，不同的研究要求和研究條件就要選用不同的分析模型，這些模型的分析結(jié)果也不太相同，主要表現(xiàn)在分析結(jié)果的精度和可靠度上?；旌蟿恿ζ嚍樘岣吣茉蠢寐剩梢勒者\(yùn)行的策略來設(shè)計(jì)對應(yīng)的能量回收，如果電池處于一個大電流充電的狀態(tài)下，很可能會發(fā)生過充現(xiàn)象。這時(shí)，風(fēng)扇如果能帶走大部分熱量或者這種狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間不長，電池包中的電池溫度不高，那么過充只有電解液的分解，這個時(shí)候電池還是安全的?？墒?，電池的散熱性如果不好的話，那么金屬氧化物的正極就會發(fā)生脫鋰現(xiàn)象，化學(xué)活性變強(qiáng)，電池溫度繼續(xù)升高，如果持續(xù)的時(shí)間過長，就會使電池發(fā)生熱失控。

3 ?影響電池組溫度的因子

就動力鋰離子電池而言，其具有工作電壓較高，充放電次數(shù)多且壽命長，以及無污染等優(yōu)點(diǎn)，因此被越來越多的使用在新能源汽車上。但是新能源汽車的使用條件比較復(fù)雜多變，而且電池的使用次數(shù)非常多，還經(jīng)常處于大電流放電的狀態(tài)，這就導(dǎo)致其溫度變化幅度很大，嚴(yán)重影響了其安全性能。近年來，鋰電池的熱安全性也受到了人們的熱切關(guān)注，其工作的時(shí)候溫度會發(fā)生變化，而且還會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電池的正負(fù)極材料以及電解液等都會由不同程度的反應(yīng)，一般都和溫度有關(guān)，一般負(fù)極材料和電解液的反應(yīng)溫度相對較低，在40-72度的時(shí)候就會有輕微的放熱，在80-119度就會放出大量的熱，還可能導(dǎo)致保護(hù)膜分解，使電池的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。正極的材料發(fā)生反應(yīng)的溫度相對就高一點(diǎn)，在溫度達(dá)到172度的時(shí)候才開始出現(xiàn)分解情況，在256度是發(fā)熱最嚴(yán)重。隔膜是正負(fù)極之間的分離材料，它的安全性和熱穩(wěn)定性非常重要，如果隔膜的遮斷溫度低，就阻止鋰離子通過，影響了電池的性能，如果遮斷溫度高，就不能抑制住電池產(chǎn)熱的危險(xiǎn)。隔膜的破裂溫度要大于遮斷溫度，在隔膜破裂或者融化的時(shí)候，就會使得正負(fù)極直接接觸，發(fā)生短路情況，如果發(fā)生這種情況，就很容易發(fā)生熱失控[2]。

4 ?建立動力電池的熱模型

為了更好的分析影響動力電池?zé)嵝阅艿囊蛩兀梢越崮Ｐ瓦M(jìn)行分析，對模型做出如下假設(shè)：①忽略對流換熱;②忽略電池內(nèi)部輻射散熱;③假設(shè)熱導(dǎo)率相同;④假設(shè)比熱容和熱導(dǎo)率不受溫度和SOC值影響。

通過查閱文獻(xiàn)得到相關(guān)未知量的公式，根據(jù)公式計(jì)算出比熱容，生熱速率以及導(dǎo)熱系數(shù)。分析模型可知道單個電池的冷卻比較充分，而多個串聯(lián)在一起的時(shí)候散熱卻非常一般，僅存在于表面。電池內(nèi)部的空隙非常小，雖然空氣是熱的不良導(dǎo)體，但還是不能忽略空氣的熱傳導(dǎo)作用。根據(jù)鋰離子電池?zé)崮Ｐ屠碚?，結(jié)合國產(chǎn)動力鋰離子電池進(jìn)行建模分析。研究對象選用單體容量為10Ah的電池，電壓為3.3V，內(nèi)阻是24.5m？贅，大?。╓×L×H）為18.25×138.9×65.21mm，質(zhì)量為327.85g，比能量為100.6Wh/kg。電池正極極耳為鋁，負(fù)極極耳為銅，外殼材料為不銹鋼，這些材料的相關(guān)熱參數(shù)均從參考文獻(xiàn)中獲得[3]。

通過對模型進(jìn)行仿真分析，分別對電池在1C、2C、4C倍率的使用條件下進(jìn)行放電，以及模擬電池在不同使用環(huán)境下進(jìn)行仿真分析。結(jié)合理論分析，設(shè)置一定的環(huán)境溫度，確定好不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度以及比熱。根據(jù)前面分析計(jì)算得到的負(fù)極極柱、正極極柱和內(nèi)核的生熱率加到對應(yīng)的區(qū)域，在把對流和輻射邊界條件加進(jìn)去，進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行分析計(jì)算的時(shí)候，無需考慮導(dǎo)線自己產(chǎn)生的熱量，只用考慮電池單體產(chǎn)生的熱量。每個電池單體之間有一定的縫隙，這些縫隙之間存在著空氣，空氣是熱的不良導(dǎo)體，但是還是要考慮空氣的熱傳導(dǎo)，在建模的時(shí)候要把空氣的熱傳導(dǎo)效益加進(jìn)去。

根據(jù)電池組的溫度分析可以看出來，電池組的溫度分布和單體電池的溫度分布之間存在很大的差別，特別是內(nèi)部的溫度變化很大。為保障電池組中的單電池工作溫度相接近，就要讓單電池的散熱面積基本相同。同時(shí)，要使電池的最高溫度不會超過規(guī)定的最佳工作溫度，就要使電池組有一個良好的散熱條件，所以要在電池組中設(shè)計(jì)一些冷卻結(jié)構(gòu)。最后對電池組的效率進(jìn)行一個綜合分析，分析電池組的能量效率，可以考慮從其能量流進(jìn)行分析。電池組的功率損耗主要包括電機(jī)損耗，冷卻風(fēng)扇損耗和自身的熱損耗。根據(jù)電池的自身損耗熱功率可以計(jì)算出電池組的效率變化，輸出功率是電壓和電流的乘積。由這些分析可以知道，電池組的熱損耗主要和電池組的工作狀態(tài)相關(guān)。在電池組的放電倍率小于3C，電池組的熱損耗相比其他情況下是比較小的。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果可以知道，在急加速的狀態(tài)下，電池組的熱損耗基本是電池組輸出功率的1.14%，這種情況下電池的發(fā)熱量達(dá)到了最大，因此溫度上升非常迅速。要想提高電池組的工作效率，就要合理的控制電池組放電電流的大小，而放電電流的大小可以通過電池的制作工藝來減小電池的內(nèi)阻或者通過適當(dāng)?shù)墓に囍谱鱽頊p小電池單體之間接線柱的連接內(nèi)阻，這些都可控制放電電流的大小[4]。

5  結(jié)束語

綜上所述，本文主要針對混合動力汽車動力電池組的溫度管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，研究的內(nèi)容主要包含電池的熱安全性、影響因素以及電池組的熱效率。通過這些問題的研究分析，希望解決目前混動汽車電池組的安全問題，同時(shí)提高電池組的動力性能，使得電池組的使用壽命變得更加長，這對于新能源混合動力汽車的推廣和產(chǎn)業(yè)化有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳磊濤，許思傳，常國峰.混合動力汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)流場特性研究[J].汽車工程，2009，31（3）：224-227.

[2]孫志文，朱建新，儲愛華，等.混合動力汽車動力電池主動熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2015（04）：161-163，181.

[3]史磊，耿東，王守棲.基于氣-液兩相換熱的混合動力汽車動力電池一體化熱管理系統(tǒng)的研究[J].移動電源與車輛，2017（03）：30-34.

[4]焦敏，趙治國，陳祥.混合動力汽車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2018，250（10）：5-8.

作者簡介：胡紅霞（1977-），女，山西人，本科，研究方向?yàn)橹乜ɑ靹榆囆驼囬_發(fā)。