純電動汽車電池熱管理技術研究
2021年12月20日 17:19瀏覽：2276 收藏：1
摘要：在我國快速發展過程中，對于能源的需求在不斷加大，能源危機和環境污染問題已成全球關注的焦點，新能源汽車順勢而為，純電動汽車采用純電驅動，更加節能、環保。隨著純電動汽車的發展，車輛的安全性、續航里程能力得到了關注，動力電池的性能很大程度上影響著整車性能，為了提升動力電池系統性能，避免熱失控，研究高性能動力電池熱管理系統至關重要。
引言
目前在國內汽車市場上純電動汽車發展迅猛，它所采用的動力電池絕大部分是鋰離子電池，鋰電池技術發展迅速，性價比快速提升。但隨著純電動汽車在社會上大批量投入使用，也遇到了一些問題，比如少量的純電動汽車因為各種原因出現了鋰電池起火，進而導致整車燃燒問題，或鋰電池破裂導致有毒的電解液泄漏到空氣中的問題。鋰離子動力電池的起火燃燒風險，來自于電池的化學能在高溫下瞬間釋放（高壓電擊不在本文討論的范圍），表現為：電池的熱失控和熱擴散引起整車燃燒或爆炸、或者電解液泄漏有毒氣體。本文系統的介紹了這個問題的各個風險環節，并提出對應的風險控制措施。
1 電池熱管理的現狀
通常來說，溫度對動力電池的性能影響比較大，溫度較低的時候，電池內阻較大，容量也變小，充電和放電的能力也變差；在溫度較高的時候，一些電池原料會發生化學反應，比如燃燒或者爆炸。如果電池包里面的電池每個點的溫度分布不均勻，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生很大的影響。因此，對電池包的熱管理系統進行研究，是非常具有現實意義的。在國內，很多鋰電池熱分析都不會對電池在使用過程中的溫度場進行分析，一般都只分析鋰電池的高溫或者低溫時的穩定性能，不知道電池為何會溫度升高。一般來說，動力電池的運行環境都很差，常常處于一個大電流的充放電狀態，如果不把電池SOC 以及充放電電流結合起來對電池的溫度場分布進行分析，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一步進行深入。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行分析，分別是電化學-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，這些模型的分析結果也不太相同，主要表現在分析結果的精度和可靠度上。混合動力汽車為提高能源利用率，可依照運行的策略來設計對應的能量回收，如果電池處于一個大電流充電的狀態下，很可能會發生過充現象。這時，風扇如果能帶走大部分熱量或者這種狀態持續的時間不長，電池包中的電池溫度不高，那么過充只有電解液的分解，這個時候電池還是安全的。可是，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生脫鋰現象，化學活性變強，電池溫度繼續升高，如果持續的時間過長，就會使電池發生熱失控。
2 動力電池熱管理系統設計要求
動力電池熱管理系統設計時，首先需考慮電池包適宜工作范圍，廣泛應用的鋰離子電池正常工作溫度范圍為充電情況下0-55℃，放電情況下-20℃-60℃，最佳充放電溫度范圍為20℃-35℃，電池處于最佳溫度充放電時可使電池性能最優及循環壽命最大化，且能有效的避免電池熱失控問題。確定動力電池系統最佳溫度范圍后，現階段純電動汽車大多采用液冷結構，根據整車需求進行熱管理系統匹配選型，同時參照動力電池系統工作需求，制定系統工作閾值，其中環境溫度的影響可根據實際電池的散熱需求調節，制定電池熱管理系統最佳控制模式。整車系統將各個電池包溫度及行車或充電/運行模式組合成一特定溫度報文并通過CAN 總線發送至電池熱管理系統，電池熱管理系統計算出電池包的溫度最高值和溫度平均值，并根據設定溫度的要求自動進入以下模式：壓縮機制冷模式：系統控制器（BMS 提供工作信號），當環境溫度≤限定值，系統進水≥設定值，水泵運行，風扇運行，進入高溫冷卻模式；自循環模式：系統控制器（BMS 提供工作信號），當環境溫度＞限定值，水泵運行，風扇運行，壓縮機運行，進行低溫冷卻模式；待機模式：系統上電，但是BMS 未提供工作信號，整機應處于待機狀態，高溫（30℃-40℃）地區正常工作，包括高低溫啟動、高低溫性能、高低溫充電、續駛里程等測試。
3 消除電池燃燒風險的措施
鋰離子電池本體安全性提升的主體責任在于電池廠商，但是涉及電池以外部分的責任在于整車廠商，涉及電池廠商、整車廠商的設計、生產各環節，包括以下幾個方面：內部和外部的機械設計：電池內部固定單體電池的支架的強度和剛度，內部定向泄壓、電池與殼體內表面最小間隙，殼體密封性，整車上固定電池包的牢固性，整車碰撞變形時的安全距離。優化動力電池管理系統(BMS）安全策略：充放電策略，過充電保護，過放電保護，過電流保護，溫度和濕度監控，高溫和低溫極限保護、內部壓力監控、發生機械碰撞時斷電保護等。內部電氣設計安全：電池組、BMS 硬件、液冷管路的布局，電線連接的可靠性，絕緣等級，等電位設計，最小電氣間隙。外部電氣設計安全：電氣零件的高IP 密封防護等級，高低壓自鎖與互鎖，高低壓系統隔離，電磁兼容(EMC)和電磁輻射(EMR)，整車絕緣電阻監控與報警，手動維修開關，安全警示標簽，外部主動滅火裝置。
4 結語
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進行了研究分析，研究的內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，希望解決目前純電動汽車電池組的安全問題，同時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業化有非常重大的現實意義。
作者：趙學棟
豫新汽車熱管理科技有限公司
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