寒區(qū)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)保溫裝置研究

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)交通事業(yè)快速發(fā)展，隨著國(guó)家《交通強(qiáng)國(guó)規(guī)劃綱要》的出臺(tái)，對(duì)交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域起到了重要的引領(lǐng)和帶動(dòng)作用。隨著傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車對(duì)環(huán)境污染的不斷加劇，作為一種新型載運(yùn)工具的電動(dòng)汽車越來(lái)越受到人們的重視，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車核心部件，在為整車提供能源的同時(shí)，其性能的優(yōu)劣與穩(wěn)定性直接影響到電動(dòng)汽車的運(yùn)行表現(xiàn)。

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的能量來(lái)源，其工作性能受環(huán)境溫度的影響較大，是電動(dòng)汽車整體性能關(guān)鍵的一環(huán)，其性能的優(yōu)劣將直接影響到電動(dòng)汽車的續(xù)航里程、壽命和安全性。動(dòng)力電池的溫度對(duì)于其放電性能的影響很大，當(dāng)動(dòng)力電池溫度的溫度較高時(shí)，會(huì)破壞電池的化學(xué)平衡，而當(dāng)電池溫度較低時(shí)，其反應(yīng)速度就會(huì)變慢，當(dāng)溫度極低(寒區(qū))時(shí)，又會(huì)造成電池永久損傷

。因此，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究，對(duì)于動(dòng)力電池保持良好性能，以及電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行具有重要的意義。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要分為電池散熱系統(tǒng)和電池預(yù)熱系統(tǒng)兩類。現(xiàn)階段對(duì)動(dòng)力電池散熱研究按照傳熱介質(zhì)的不同可分為空氣散熱、液冷散熱和相變材料散熱三種方式

?？諝馍崾抢每諝庾鳛閭鳠峤橘|(zhì)對(duì)電池組進(jìn)行散熱，是目前應(yīng)用范圍最廣的散熱方式。胡偉欽

提出了一種可以有效控制動(dòng)力電池工作溫度的熱管理方案。根據(jù)外界環(huán)境溫度，采用空調(diào)制冷系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)強(qiáng)制制冷，或采用PTC作為加熱模塊，強(qiáng)制對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，通過(guò)管路的熱交換確保電池箱處于最佳的工作溫度。曾祥兵

等基于理論分析和數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)了一種新型冷熱集成系統(tǒng)。汪鵬偉

和勞永春

分別針對(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷式和液冷式鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)，兩種形式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)均對(duì)電池的散熱、預(yù)熱起到了一定的作用。

上述對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)通?？紤]了高溫散熱、低溫預(yù)熱等情況，但對(duì)低溫環(huán)境下動(dòng)力電池保溫的情況很少考慮，尤其對(duì)于寒區(qū)環(huán)境下，對(duì)電池的保溫不僅可以對(duì)電動(dòng)汽車的低溫冷啟動(dòng)起到積極作用，還對(duì)于節(jié)約能源、延長(zhǎng)動(dòng)力電池壽命都具有重要意義。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)一種適用于寒區(qū)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)保溫裝置，并對(duì)于電動(dòng)汽車的所處的不同工況，制定了電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)保溫裝置的控制策略。

1 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池工作性能分析

作為電動(dòng)汽車核心部件，動(dòng)力電池在為整車提供能源的同時(shí)，其性能的優(yōu)劣與穩(wěn)定性直接影響到電動(dòng)汽車的運(yùn)行表現(xiàn)。

由圖2動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作原理圖可知，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制單元實(shí)時(shí)接收電池溫度傳感器、電池外部環(huán)境溫度傳感器采集的信息，根據(jù)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制策略，通過(guò)計(jì)算分析來(lái)控制風(fēng)扇、加熱電阻絲、電池保溫箱百葉窗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱、預(yù)熱和保溫的功能。

綜上所述，動(dòng)力電池的高效安全運(yùn)行，需要從控制電池溫度和均衡電池組溫度分布兩部分入手，當(dāng)前普遍要求動(dòng)力電池1

放電工況下溫升<8℃，單體之間的溫差<5℃，以保證電池組的最佳工作性能。

張滿春幾乎是空手套白狼就把沈老七的那方養(yǎng)人的河沙田盤(pán)到了手。從那時(shí)起，他一方面要盡心盡職地為和祥軒打理生意，另外他還要抽出一些精力料理那方田產(chǎn)。他靠了在商號(hào)里的方便，居然把那方河沙田統(tǒng)統(tǒng)改成了桑園。那些年繭花也好，價(jià)格也還適中，張滿春年年都有大的進(jìn)項(xiàng)。

(1)溫度過(guò)高，電化學(xué)反應(yīng)速率加快甚至?xí)?dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程異常，引發(fā)的電池結(jié)構(gòu)上的不可逆損傷會(huì)加劇電池容量和功率衰退；當(dāng)電池溫度升高到突破一定的閾值后，電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生幾率也會(huì)變高。(2)溫度過(guò)低(如<0℃)，電池的剩余可用功率會(huì)明顯下降，電池容量和充電能力也會(huì)不可避免地流失，強(qiáng)行充電可能造成析鋰，穿透

膜繼而誘發(fā)嚴(yán)重短路事故。一般來(lái)說(shuō)，目前鋰離子電池最佳的工作溫度范圍是25℃～40℃左右。(3)電池組中的溫度不均勻性也是值得關(guān)注的問(wèn)題，其引發(fā)的放電不均和老化過(guò)程不均最終會(huì)加劇電池組內(nèi)單體的不一致性，其中電池組中狀態(tài)最差的那一部分電池會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)的短板，這種狀態(tài)上的差距會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鋰離子電池組壽命縮短，提前失效。

通過(guò)分析電動(dòng)汽車動(dòng)力電池工作性能隨溫度變化的機(jī)理，為加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力電池停止工作前本身具有熱量的充分利用，設(shè)計(jì)一種集散熱、預(yù)熱和保溫功能于一體的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)“百葉窗式”保溫箱，該系統(tǒng)在低溫環(huán)境下具有一定的保溫功能，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)保溫箱的百葉窗，根據(jù)動(dòng)力電池工作狀態(tài)由動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制其開(kāi)啟或者關(guān)閉。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)百葉窗式保溫箱模型如圖1所示。

由圖3 所示的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略，根據(jù)電動(dòng)汽車所處的狀態(tài)及動(dòng)力電池的溫度進(jìn)行判斷：

中午時(shí)分，阿東擔(dān)心阿里，便蹬著車專程回家一趟。到家時(shí)，老巴和阿里正在店里吃盒飯。阿里見(jiàn)阿東，扯著他的手臂，指著老巴的腿說(shuō)：“爸爸流血?！?/p>

為解決上述問(wèn)題，提升熱管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，需設(shè)計(jì)一種用于寒區(qū)電動(dòng)汽車鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱保溫裝置。

2 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)保溫箱設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)保溫箱模型構(gòu)建

取新制備的樣品用相應(yīng)pH的蒸餾水稀釋10倍后，用Zetasizer Nano-ZS納米粒度儀測(cè)定其粒徑分布，動(dòng)態(tài)光散射角度固定為90°，樣品折射率為1.51。記錄液滴的平均粒徑和分散系數(shù)(PDI)。

2.2 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作原理

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用電阻絲+風(fēng)扇加熱、風(fēng)扇散熱、保溫箱保溫的動(dòng)力電池?zé)峁芾砉ぷ髂Ｊ?。?dāng)動(dòng)力電池需要低溫預(yù)熱時(shí)，開(kāi)啟電阻絲+風(fēng)扇加熱模式，百葉窗關(guān)閉；當(dāng)動(dòng)力電池需要散熱時(shí)，電阻絲停止加熱模式，風(fēng)扇開(kāi)啟，并且百葉窗打開(kāi)；當(dāng)動(dòng)力電池需要保溫時(shí)，電阻絲停止加熱模式，風(fēng)扇關(guān)閉，百葉窗關(guān)閉。所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)“百葉窗式”電池保溫箱工作原理如圖2所示。

溫度是電池的關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)電池溫升和溫度分布會(huì)影響電池的安全性以及循環(huán)壽命等。動(dòng)力電池內(nèi)部在進(jìn)行復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)必然伴隨著產(chǎn)熱以及傳熱過(guò)程，產(chǎn)熱使電池整體溫度升高，傳熱則重新分配電池內(nèi)部的溫度分布，這些最終都會(huì)影響在理論上有最適溫度范圍的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。因此，溫度對(duì)動(dòng)力電池的電化學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行、充放電效率、功率、容量、可靠性、安全性和壽命等性能均有密切影響。表1展示了不同溫度區(qū)間內(nèi)電池的狀態(tài)。

3 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略對(duì)于動(dòng)力電池工作溫度的有效調(diào)節(jié)具有重要作用，如設(shè)計(jì)的不合理，將會(huì)將導(dǎo)致電池組局部溫度過(guò)高，降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量發(fā)揮

。

既然每天基本只拍一張照片，不如嘗試拍攝更有力的作品，既能向觀眾透露整體敘事的一些信息，又能獨(dú)立存在，這會(huì)是一項(xiàng)有趣的挑戰(zhàn)。在365天的項(xiàng)目中給自己設(shè)定敘事以外的挑戰(zhàn)，既能給予你更多思考空間，也能給你更多動(dòng)力，促使你完成項(xiàng)目。

根據(jù)動(dòng)力鋰離子電池的低溫特性及電動(dòng)汽車實(shí)際工況運(yùn)行中的特點(diǎn)，建立應(yīng)用于低溫環(huán)境下的動(dòng)力鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略。控制策略考慮動(dòng)力電池溫度(T)、動(dòng)力電池外部環(huán)境溫度(T電外)等因素，通過(guò)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制單元對(duì)加熱電阻絲、風(fēng)扇、電池保溫箱百葉窗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使得電池保溫箱運(yùn)行在合理溫度區(qū)間，以延長(zhǎng)電池壽命和電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

記得上四年級(jí)的時(shí)候，爸媽嫌我精力太旺盛，就給我報(bào)了個(gè)國(guó)標(biāo)舞班。剛學(xué)的時(shí)候每天練功，兩條腿上各放2公斤的啞鈴或者磚頭，一開(kāi)始還能拼命撐，撐個(gè)半小時(shí)已經(jīng)是極限了，就開(kāi)始慢慢往下滑，直到腿酸得嗷嗷直叫，一屁股坐地上。

根據(jù)表1中溫度對(duì)液態(tài)鋰離子電池性能的影響情況，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)保溫箱特點(diǎn)和工作原理，以及電動(dòng)汽車所處的狀態(tài)，制定電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略如圖3所示。

基于以電池?zé)崮Ｐ蜑楹诵牡碾姵貑误w熱特性的研究，動(dòng)力電池組熱管理可以通過(guò)設(shè)計(jì)先進(jìn)的熱管理結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的策略，在系統(tǒng)層面上調(diào)控不同區(qū)域內(nèi)的電池溫度差，保證整個(gè)電池組處于適合的工作區(qū)間，從而提高電池的使用性能。

幾年前，第一次與同伴途徑郭村時(shí)，目光就被這山上的古木拴住。我認(rèn)得其中的一些，銀杏、楓香、槭樹(shù)、無(wú)患子、烏桕、水杉、黃檫，每一株都是一個(gè)巨人，身著華服，懷抱焰火，任其長(zhǎng)久的燃燒，寂靜又熱烈，將村莊的馬頭墻和天空燒灼得如同紅海。

(1)當(dāng)電動(dòng)汽車處于低溫啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電池溫度傳感器判斷電池溫度(T)是否超過(guò)0℃，當(dāng)T<0℃時(shí)，電阻絲通電加熱、風(fēng)扇工作、百葉窗關(guān)閉，以便對(duì)動(dòng)力電池盡快預(yù)熱；當(dāng)T≥0℃時(shí)，同時(shí)判斷動(dòng)力電池溫度是否大于動(dòng)力電池最低適宜工作溫度(T

)，當(dāng)T≥T

時(shí)，開(kāi)啟動(dòng)力電池保溫箱百葉窗，電阻絲斷電、風(fēng)扇不工作，否則當(dāng)T

時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力電池保溫箱百葉窗、電阻絲通電、風(fēng)扇工作。

(2)當(dāng)電動(dòng)汽車處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電池溫度傳感器判斷電池溫度(T)是否超過(guò)動(dòng)力電池最高適宜工作溫度(T

)，當(dāng)T≥T

時(shí)，電阻絲斷電、風(fēng)扇工作、開(kāi)啟動(dòng)力電池保溫箱百葉窗；否則當(dāng)T

時(shí)，電阻絲斷電、風(fēng)扇不工作、開(kāi)啟動(dòng)力電池保溫箱百葉窗。

(3)當(dāng)電動(dòng)汽車處于停車狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電池溫度傳感器判斷電池溫度(T)是否超過(guò)動(dòng)力電池最高適宜工作溫度(T

)，當(dāng)T≥T

時(shí)，電阻絲斷電、風(fēng)扇不工作、開(kāi)啟動(dòng)力電池保溫箱百葉窗；否則當(dāng)T

時(shí)，電阻絲斷電、風(fēng)扇不工作、關(guān)閉動(dòng)力電池保溫箱百葉窗。

上述針對(duì)電動(dòng)汽車所處的不同狀態(tài)下，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制單元根據(jù)動(dòng)力電池本體及外部環(huán)境溫度變化情況，對(duì)風(fēng)扇、加熱電阻絲及保溫箱百葉窗分別進(jìn)行控制其開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)于動(dòng)力電池保持良好的工作性能，以及延長(zhǎng)其使用壽命具有重要作用。

4 結(jié)論

對(duì)于寒區(qū)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能量利用效率不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種適合于低溫環(huán)境下運(yùn)行的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)“百葉窗式”電池保溫箱，結(jié)合動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作原理，對(duì)此系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種有效實(shí)現(xiàn)集散熱-預(yù)熱-保溫于一體的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略，為寒區(qū)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)高效節(jié)能的運(yùn)行、延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命，以及加快電動(dòng)汽車在寒區(qū)推廣具有重要意義。

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