電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池組電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

周炳偉

摘 要：隨著我國(guó)電動(dòng)汽車高科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車中的鋰電池組電源管理系統(tǒng)的性能和設(shè)計(jì)越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，從現(xiàn)行的電池組電源管理系統(tǒng)中應(yīng)實(shí)現(xiàn)逐步的改進(jìn)，在電池組的高溫和最大溫差上做合理設(shè)計(jì)研究，只有這樣才能讓電動(dòng)汽車的鋰電池組發(fā)揮更高的性能，從而提高電動(dòng)汽車的綜合性能和動(dòng)力。該文筆者主要針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池組的電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)做研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：電池?zé)峁芾?電動(dòng)汽車 鋰電池組 電源管理

中圖分類號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（b）-0034-02

近年來(lái)，環(huán)境能源危機(jī)和環(huán)境質(zhì)量的大幅度降低促進(jìn)了電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，在電動(dòng)汽車的發(fā)展過(guò)程中，電池作為主要能源，對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力產(chǎn)生了較大影響，而在電動(dòng)汽車最主要的動(dòng)力來(lái)源的鋰電池性能的好壞則更加影響電動(dòng)汽車的整體綜合性能，鋰電池的電源管理系統(tǒng)在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)都會(huì)放出大量的熱量，如果熱量分布不均勻就會(huì)造成鋰電池組電源管理系統(tǒng)的性能下降，從而嚴(yán)重影響電池的壽命，因此，較好地降低鋰電池組的控制溫度是電池性能增加的關(guān)鍵。從現(xiàn)有的鋰電池組管理系統(tǒng)來(lái)看，能夠滿足的材料不多，因此，需要新型的電池組材料才能滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力發(fā)動(dòng)。

1 散熱方案設(shè)計(jì)

1.1 相變材料的原理及制備

相變材料（PCM）是一種能夠吸收和釋放相變潛熱的材料，近年來(lái)在國(guó)外出現(xiàn)的采用相變材料冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)展現(xiàn)出良好前景，值得引起國(guó)內(nèi)業(yè)界高度重視。石蠟是市面上常用的相變材料，它由于具有相變溫度接近電池的最佳工作溫度，單位質(zhì)量相變潛熱高，成本低廉等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但它的缺點(diǎn)是具有較低的熱導(dǎo)率，不利于對(duì)電池進(jìn)行散熱通過(guò)瞬態(tài)平面法測(cè)得石蠟的熱導(dǎo)率為0.156 7 W·m-1·K-1，而通過(guò)激光導(dǎo)熱法測(cè)得的復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱率為3.953 W·m-1·K-1。所以，該文擬在石蠟中加入適當(dāng)比例的石墨，以彌補(bǔ)單一石蠟熱導(dǎo)率低的問(wèn)題。利用Maxwell-Eucken模型估算不同膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，做了如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。相變材料的工作過(guò)程如下：相變材料自身發(fā)生相變時(shí)，吸收電池充放電時(shí)釋放的熱量，從而降低電池溫度，減小各部分間的溫差?？梢杂?jì)算出使一個(gè)電池保持在合適且穩(wěn)定工作溫度范圍下所需要的相變材料的質(zhì)量。假定電池最佳工作溫度為40 ℃～50 ℃，并計(jì)算得出所需相變材料985.4 g。在保證石蠟總質(zhì)量不變前提下，改變石墨質(zhì)量，并研究石蠟/石墨復(fù)合相變材料的組成對(duì)電池散熱性能影響，為此配制了3種石蠟/石墨復(fù)合相變材料，其組成和主要熱物理性質(zhì)。

1.2 鋰電池組散熱單元的設(shè)計(jì)

對(duì)于柱狀電池組，空氣流場(chǎng)的分布會(huì)直接影響溫度場(chǎng)的分布。因此，合理設(shè)計(jì)電池模塊的排列方式，進(jìn)、出風(fēng)口，選擇合理的箱體形狀，獲取合理的流場(chǎng)分布，是電池組設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。市面上大多數(shù)電池的排列方式為平行排列和交錯(cuò)排列，但是由于冷卻風(fēng)流經(jīng)上游電池模塊后，自身溫度上升，導(dǎo)致冷卻下游電池的能力下降，整個(gè)電池箱內(nèi)的整體溫度分布不均。因此，在交錯(cuò)排列的基礎(chǔ)上提出的梯形排列，采用這種梯形結(jié)構(gòu)，可使沿氣流方向的冷卻風(fēng)溫度上升的同時(shí)，冷卻風(fēng)的風(fēng)速逐漸增大，對(duì)流換熱系數(shù)增大，使上下游空氣冷卻效果基本平衡，最終電池組內(nèi)部各區(qū)域的溫度能基本控制在比較均勻的水平上。根據(jù)梯形排列方式，選用某品牌18650鈷酸鋰電池為研究對(duì)象進(jìn)行建模，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后設(shè)計(jì)出26個(gè)單體電池所組成的電池組。單體電池尺寸為Φ18 mm×65 mm，26個(gè)電池呈梯形排列，電池均勻排列且間距為35 mm。接下來(lái)，對(duì)電池箱整體進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到復(fù)合散熱的需要，利用Solidworks軟件對(duì)箱體進(jìn)行仿真建模，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的箱體。

2 鋰電池組電源管理設(shè)計(jì)

根據(jù)電源管理系統(tǒng)的總體應(yīng)用需求，對(duì)電池組提出如下要求：

2.1 電池組的設(shè)計(jì)

根據(jù)電源管理系統(tǒng)負(fù)載，電流在2 A左右，電壓范圍9 ～13 V，待機(jī)需2 h左右。根據(jù)這項(xiàng)要求，核算出電池組的容量：2A*2H=4 000 mAh?？紤]到成本和生產(chǎn)效率因素，采用通用型鋰電池18 650（聚合物需要定制，周期長(zhǎng)，成本高）。18650電芯標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7V，常用容量2 600 mAh。根據(jù)以上對(duì)電壓和容量的要求，可以算出；需要3個(gè)電芯串聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)電壓達(dá)到11.1 V，最高12.6 V，最低9 V，滿足電壓的要求；需要再并聯(lián)1組，容量達(dá)到5 200 mAh，滿足容量的要求。即采用3串2并的共6節(jié)電芯搭配方案?？偨Y(jié)為：電池組為3串2并方案，標(biāo)稱電壓11.1 V，標(biāo)稱容量5 200 mAh。

2.2 控制板的設(shè)計(jì)

由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及超高溫充放電，因此，鋰電池組需要一塊控制板才能夠安全地使用。在電池組待機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)需求電流正常為2 A，最大為5 A。總結(jié)上述要求，對(duì)控制板的功能設(shè)計(jì)要求如下：（1）過(guò)充保護(hù)功能，針對(duì)每節(jié)電芯，過(guò)充電壓4.22 V；（2）過(guò)放保護(hù)功能，針對(duì)每節(jié)電芯，過(guò)放電壓2.75 V；（3）短路保護(hù)功能，針對(duì)每節(jié)電芯；（4）過(guò)流保護(hù)功能，選擇為最大電流的1.3倍，即6.8 A；（5）過(guò)溫度保護(hù)功能，針對(duì)電池組表面；（6）控制板尺寸要盡量小。

保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容、NTC等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。根據(jù)要求達(dá)到的五種保護(hù)功能，首先選擇合適的控制IC。同樣考慮到成本的限制，選擇國(guó)內(nèi)較為成熟的動(dòng)力電池芯片控制IC-BM3451貼片式，該IC具有如上所有保護(hù)功能。接下來(lái)依照控制IC應(yīng)用說(shuō)明繪制控制板電路如下：

電路中MOS Q1～Q4的參數(shù)選擇，其電流要留有余量，選擇最大電流的2倍即10 A，每個(gè)MOS 5 A容量。R11的設(shè)計(jì)滿足過(guò)流8A的要求，取10 mΩ。NTC選擇常見(jiàn)的10 kΩ，溫度設(shè)定在50 ℃。以此設(shè)定各器件參數(shù)。輸入端口為電池正負(fù)極B+＼B-和串聯(lián)中間二個(gè)節(jié)點(diǎn)B2＼B1，輸出端口為P+＼P-，輸出端增加一個(gè)connector，方便與系統(tǒng)接線至此，電路設(shè)計(jì)完成，重新檢查無(wú)誤后LAYOUT控制板。

2.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)預(yù)留空間，考慮到電芯和PCB的固定可靠性，需要設(shè)計(jì)一個(gè)支架來(lái)固定?？紤]將電芯靠在支架兩側(cè)，雙面膠固定，PCB位置設(shè)計(jì)成卡口固定，外面再用套管套住，這樣就能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性了。

2.4 電池模組的整體設(shè)計(jì)

支架的尺寸與控制板要一致，修正控制板的尺寸圖，模擬組裝沒(méi)有問(wèn)題后，控制板和支架就可以發(fā)出去打樣板了。其他輔料稍作設(shè)計(jì)，也發(fā)出去打樣。樣品到齊后組裝成品。

3 效果分析與測(cè)試

根據(jù)所設(shè)計(jì)的散熱方式和電池組箱體結(jié)構(gòu)，利用Fluent進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比自然散熱和新型散熱方式散熱效果可以看出，所設(shè)計(jì)的新型散熱方式將最高溫度降低了31%，最大溫差降低了55%，電池組性能得到了顯著提高。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通多鋰電池組的整體管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先能夠解決鋰電池組的散熱問(wèn)題，散熱量越好就能夠顯著地提高鋰電池組的使用效率，增加性能和功率，從而通過(guò)這種復(fù)合散熱設(shè)計(jì)方式也增加了鋰電池組的散熱結(jié)構(gòu)，保證散熱均衡，在電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)束夠，通過(guò)測(cè)試其性能穩(wěn)定，復(fù)合鋰電池組電源的運(yùn)行環(huán)境，并且整體鋰電池組電源組的電源管理系統(tǒng)方案穩(wěn)定，能夠?yàn)榻窈蟮碾妱?dòng)汽車動(dòng)力鋰電池組電源管理系統(tǒng)提供更多的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳天殷.電動(dòng)汽車電源管理的基礎(chǔ)框架和實(shí)施[J].汽車電器， 2013（12）：1-4.

[2] 劉志珍，杜學(xué)龍，薛亮，等.電動(dòng)汽車充電站中諧波相互抑制的研究[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，27（3）：1-5.

[3] 張劍波，盧蘭光，李哲.車用動(dòng)力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與學(xué)科前沿[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2012，3（2）：87-104.

[4] 王占國(guó)，文鋒，盛大雙，等.新型充放電均衡一體化電池管理系統(tǒng)研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012，26（5）：431-436.