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电动汽车动力电池组热管理系统研究

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2020年4月19日
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电动汽车动力电池组热管理系统研究

　　摘 要：相比较传统燃油汽车，电动汽车具有更加高效、更加清洁的优点。电动汽车工作性能的好坏很大程度上取决于电池的工作性能。温度作为影响电池工作性能的重要因素，对电动汽车的使用性和安全性有着非常大的影响。在简要归纳动力电池组热管理必要性和系统功能的前提下，从电池最优工作温度范围、热场计算、温度传感器布置、风机功率选择和电池包设计等几个方面介绍了动力电池组热管理系统的设计要点，并对不同冷却方式进行对比分析，为后续研究提供参考。

　　关键词：电动汽车 电池 温度 热管理
　　中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（ ）02（a）-0178-03
　　Research On Electric Vehicle Battery Thermal Management System
　　Yang Guosheng
　　（Shaoxing Traffic Police Detachment，Shaoxing Zhejiang，31 ，China）
　　Abstract：Compared with the traditional fuel vehicle，electric vehicle had advantages on more effective and more clear.The electric vehicle's performance was mostly decided by battery's performance.As the main influence factor of battery's performance，battery temperature had significant effect on electric vehicle's usability and safety.On the basis of briefly summarizing the necessity and function of power battery thermal management system，this paper introduced the key design points of battery thermal management system from optimum operating temperature range，heat field calculation，temperature sensor decorate，fan power selection and battery pack design.Then analyzed different cooling systems，provided a reference for further research.
　　Key Word：Electric vehicle；Battery；Temperature；Thermal management
　　电动汽车较传统燃油汽车更加清洁、高效。电动汽车工作性能很大程度上取决于电池的工作性能。电池在工作过程中，由于内部的电化学反应和焦耳效应产生热量，使得电池内部的温度不断发生变化。而在结构上，电动汽车用动力电池是成组安放在电池包中的，受制于电池包的结构和安装位置，电池组自身辐射散热困难，单体电池间温度不均衡严重。同时，外界气温的变化也会直接引起电池温度的变化。因此，电动汽车动力电池温度是一个时变系统。一般情况下，温度对电池的影响主要表现在以下几个方面：（1）内阻、开路电压、SOC；（2）充放电效率；（3）可靠性；（4）使用寿命。可见，电池温度对电动汽车的使用性能、可靠性和使用寿命有很大影响。总之，电池温度受自身和外界等多方面的影响，会影响电动汽车的正常工作。在电动汽车设计阶段，我们需要考虑对动力电池组进行合理的热管理，使电池工作在合适的温度，从而保证电动汽车的合理运行。
　　1 电动汽车电池组热管理系统
　　1.1 电池组热管理的必要性
　　电池作为电动汽车的主要能量存储单元，其性能直接影响到电动汽车整车性能。对电动汽车电池组进行热管理是必要的，原因在于：（1）电池组长时间工作在较恶劣的热环境下，将降低电池放电容量、缩短电池使用寿命；（2）电池包内温度场的不均匀分布将加剧各电池模块、单体电池性能之间的不一致性；（3）电池组的热监控和热管理对整车安全运行具有重要意义。
　　1.2 电池组热管理系统的功能
　　电池组热管理系统是用来确保电池组工作在适宜温度范围的整套系统，包括电池箱、传热介质、监测控制设备等部件。
　　电池组热管理系统有如下几项主要功能[1]：（1）保证电池包内温度均衡，避免电池间的不一致而降低性能；（2）电池组温度过高时的有效散热和通风；（3）电池组温度过低时的快速加热和保温；（4）有害气体产生时的有效通风；（5）消除因热失控造成的电池失效或爆炸危险。
　　2 电池热管理系统的设计要点
　　2.1 确定电池最优工作温度范围
　　在不同的气候条件、不同的车辆运行工况下，电池的温度会出现很大差异。对电池组进行热管理的最终目的就是为了使电池工作在最优的温度范围，因此在进行电池热管理系统设计时首先需明确电池最优工作温度范围。
　　了解电池的温度特性是确定最优工作范围的先决条件。电池的温度特性是指电池工作在不同温度下，其内阻、开路电压、SOC、充放电效率的表现情况[2]。电池的温度特性能够经过实验和仿真两种方法获得，如果采用实验测量的方法来确定电池的温度特性，结果精确，反应电池的真实特性，但工作量大，耗时长；如果利用如ADVISOR等软件仿真，时间短，一定程度上能够反应电池的温度特性。某型60AH镍氢电池在不同温度下的充放电效率如图1所示，我们能够发现在温度高于40 ℃或低于0 ℃的情况下，充放电效率显著下降，因此我们应该至少维持电池的工作温度范围在0～40 ℃之间，同时综合温度对内阻、开路电压、SOC的影响来确定最优工作范围。一般而言，电池最优工作范围大致在25 °～40 ℃。 　　2.2 电池热场计算及温度预测
　　电池不是热的良导体，仅经过温度传感器测量电池表面温度分布不能充分说明电池内部的热状态。经过数学模型计算电池内部的温度场，能够预测电池内部的热行为，对于设计电池组热管理系统是必备的环节。
　　锂离子电池的内部温度场计算能够利用式（1）所示的三维数学模型：
　　（1）
　　式中为温度；为平均密度；为电池比热；、、分别为电池在、、三个方向上的热导率；q为单位体积生热速率。经过选择专门的量热计能够得到电池的生热速率，而利用有限元的方法能够得出电池在不同方向的热导率。
　　2.3 传热介质的选择
　　电池热管理系统一般采用的传热介质包括空气、液体以及相变材料等。
　　空气冷却是最简单方式，只需让空气流过电池表面。空气冷却方式的优点在于[3]：（1）结构简单，重量相对较小；（2）没有发生漏液的可能；（3）有害气体产生时能有效通风；（4）成本较低。缺点在于其与电池壁面之间换热系数低，冷却、加热速度慢。
　　液体冷却分为直接接触和非直接接触两种方式。矿物油可作为直接接触传热介质，水或者防冻液可作为典型的非直接接触传热介质。液体冷却必须经过水套等换热设施才能对电池进行冷却，这在一定程度上降低了换热效率。液冷方式的主要优点有[4]：（1）与电池壁面之间换热系数高，冷却、加热速度快；（2）体积较小。主要缺点有：存在漏液的可能；重量相对较大；维修和保养复杂；需要水套、换热器等部件，结构相对复杂。
　　相变材料冷却是一种较为新型的冷却方法，相变材料能够直接吸收来自外界的热量，从而对电池冷却降温。相变材料冷却结构简单，效率较高，但成本较高。
　　2.4 温度传感器数量和测温点的选择
　　温度传感器数量越多，温度测量越全面，但会同时也会增加系统成本。考虑到温度传感器在长时间的工作过程中有可能出现故障，故整个系统中温度传感器的数量不能太少。在热管理系统设计时，能够根据具体的需求来调整温度传感器的数量。
　　电池包内电池组的温度分布一般是不均匀的，理论上利用有限元分析、试验中利用红外热成像或者实时的多点温度监测的方法能够分析和测量电池组、电池模块和单体电池的热场分布，决定温度测量点的数目，找出不同区域最佳的温度测量点。同时在电池热管理系统设计时，应保证温度传感器不被冷风吹到，以提高温度测量的准确性和稳定性。
　　2.5 风机功率和加热系统功率的选择
　　对于以空气作为传热介质的电池热管理系统，风机功率选择的是否合理会影响系统的工作效率。能够用实验、理论计算和流体力学的方法经过估计压降、流量来估计风机的功率消耗。当流动阻力小时，能够考虑选用轴向流动风扇；当流动阻力大时，离心式风扇比较适合。同时也要考虑到风机占用空间的大小和成本的高低。同样对于加热系统也需要根据相应的需求来选择合适的功率。
　　2.6 电池包的设计
　　电池包的设计对于电池热管理系统是非常重要的内容，电池包的设计是否合理会直接影响到电池热管理系统的选型、安装以及工作效率。在电池包设计之前需充分考虑整车以及其它器件如BMS的空间需求，并结合具体的冷却方式、电池数目来综合设计。利用ANSYS软件对电池包的热特性进行仿真分析，根据分析结果改进电池包的结构设计，同时对于空气冷却还能够利用FLUENT软件进行流体力学的分析，确定最佳的风道设计。
　　3 几种冷却方式的比较
　　3.1 空气冷却
　　空气冷却按照冷却方式分为自然对流冷却和强迫空气冷却两种方式，按照电池通风方式分为串行和并行两种冷却方式。
　　自然对流冷却利用汽车行驶时的强烈空气对流来对电池组进行冷却，该方法简单易行。可是为了有效冷却，需要对电池形状或电池封装进行特殊设计，或选用特殊的材料以使电池的散热面积增大。强迫空气冷却利用辅助的或汽车自带的蒸发器提供冷风，经过安装风扇形成强制气流来进行冷却，风扇一般安装在排气通道出口位置，原理如图2所示。
　　串行冷却方式和并行两种冷却方式的区别在于通风方式，原理分别如图3、4所示。
　　从图3、图4我们能够看出串行通风冷却方式，空气从左至右依次流经各单体电池，空气在流动过程中不断被加热，因此右侧冷却效果比左侧差，电池包内左右两侧电池因冷却效果不同而存在温度差。而并行通风方式，空气从电池包下端进，流经各单体电池间通道后从上端流出，因此单体电池间温度更加均匀。可是并行通风方式需要对电池间通道的间距以及集流板的倾斜角度进行合理的设计，以找出流速均匀性最好的方案。
　　3.2 液体冷却
　　液体冷却以液体为传热介质，示意图如图5所示。
　　液体冷却利用水或冷却液在水套内的流动，带走电池组产生的热量，然后经过散热器对冷却液降温，从而实现电池组温度保持在合理的范围。
　　液体冷却相比较空气冷却，冷却效果更好，同时对外界气温变化适应性更好，但需专门设计水套，安装散热器，对车内空间的要求更高。
　　3.3 相变材料冷却
　　相变材料冷却系统是在全封闭的模块电池单体间充填相变材料，靠相变材料的熔化凝固潜热来工作，利用制冷剂液体（水、液氨、液体氟利昂等）在低压、低温下的气化过程或固体在低温下的熔化过程或升华过程，向被冷却的物体吸取气化潜热、熔化热或升华热，以达到冷却的目的。同时它能够把放电时发出的热以潜热的形式储存起来，在充电或在很冷的环境下工作时释放出来，是最有效的散热方式之一 。
　　4 结语
　　电动汽车动力电池的热管理是一个综合命题，涵盖多个方面的内容。不但与电池管理系统有关，还与整车的机械设计、整车控制系统设计有关。经过对电池热管理系统的合理设计，使得电池工作在合适的温度范围，不但对电动汽车的使用性有重大的意义，而且对电动汽车的安全性是至关重要的，因此在电动汽车设计时一定要对电池热管理系统充分重视，并合理设计。
　　参考文献
　　[1] 付正阳，林成涛，陈全世.电动汽车电池组热管理系统的关键技术[J].公路交通科技， ，22（3）：119-123.
　　[2] 李哲，韩雪冰，卢兰光，等.动力型磷酸铁锂电池的温度特性[J].机械工程学报， ，47（18）：115-120.
　　[3] 齐晓霞，王文，邵力清.混合动力电动车用电源热管理技术现状[J].电源技术， ，29（3）：178-181.
　　[4] 周奕，王英，黄晨东.动力电池热管理系统及其设计流程介绍[J].上海汽车， （6）：7-10.