王傳經(jīng) 丁旺 吳敏 王超 王聯(lián)珠
摘 要:新能源汽車(chē)成為當(dāng)前關(guān)注焦點(diǎn),隨著新能源汽車(chē)技術(shù)瓶頸不斷突破,新能源汽車(chē)行業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,尤其是純電動(dòng)汽車(chē)獲得了資金和政策的強(qiáng)力支持。本文重點(diǎn)探討純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池?zé)嵩砑肮芾硐到y(tǒng)的研發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池組的溫度控制,使之在合理的溫度區(qū)間之內(nèi),較好地提升電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞:純電動(dòng)汽車(chē) 鋰離子 動(dòng)力電池 溫度控制
中圖分類(lèi)號(hào):TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2018)12(c)-0090-02
純電動(dòng)汽車(chē)是使用可再生燃料資源的新能源電動(dòng)汽車(chē),它以動(dòng)力電池為核心部件,要明晰純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池的熱原理特性,探討純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池溫度的合理控制,避免因電池溫度過(guò)高而引發(fā)的不良影響,延長(zhǎng)鋰離子動(dòng)力電池的使用壽命,提升純電動(dòng)汽車(chē)的行駛安全性能。
1 純電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其存在的問(wèn)題分析
1.1 純電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概述
純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是基于電池的生熱機(jī)理和電化學(xué)特性,進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì),確保動(dòng)力電池的溫度在適宜的充放電區(qū)間,有效規(guī)避電池溫度過(guò)高而引發(fā)的不良風(fēng)險(xiǎn)。純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由電池箱殼體、傳熱介質(zhì)、溫度傳感器、加熱部件、散熱部件、夾具等構(gòu)成,通過(guò)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控,確保電池保持在最佳的充放電區(qū)間,并保證電池組溫度分布的均勻一致性,規(guī)避電池組內(nèi)電池單體的溫度失控風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),要選擇適宜的空氣冷卻方式,清除電池內(nèi)部因化學(xué)反應(yīng)而生成的異味氣體,提升電池使用的安全可靠性。
1.2 純電動(dòng)汽車(chē)電池存在的問(wèn)題分析
當(dāng)前的純電動(dòng)汽車(chē)電池還尚未突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,具體表現(xiàn)出以下方面的問(wèn)題:(1)續(xù)航里程低。純電動(dòng)汽車(chē)電池組在行駛過(guò)程中要消耗大量的能量,難以持續(xù)提供行駛里程所需的能量,導(dǎo)致純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程偏低。同時(shí),純電動(dòng)汽車(chē)日趨功能多樣化、復(fù)雜性的特點(diǎn),在工作狀態(tài)下會(huì)消耗電池組的部分能量,也會(huì)降低汽車(chē)的續(xù)航里程。(2)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和電池管理系統(tǒng)存在欠缺。純電動(dòng)汽車(chē)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及電池管理系統(tǒng)還存在欠缺,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的SOC、SOH、SOE預(yù)測(cè)和自檢,缺乏對(duì)電池的過(guò)電流、過(guò)電壓和溫度保護(hù),對(duì)于整車(chē)通信、故障預(yù)警和充電控制存在欠缺。(3)其他問(wèn)題。動(dòng)力電池價(jià)格成本偏高,尺寸及質(zhì)量也較大,不利于純電動(dòng)汽車(chē)的加速提升。同時(shí),動(dòng)力電池基礎(chǔ)配套設(shè)施還存在不足,導(dǎo)致電池充電緩慢。
2 鋰離子動(dòng)力電池的熱原理分析
2.1 鋰離子動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)
鋰離子動(dòng)力電池通過(guò)鋰離子在正負(fù)極間的往返運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)充放電,由電極引線、正極材料、電解液、隔膜和負(fù)極材料構(gòu)成,其中:正極材料通常選取過(guò)渡金屬氧化物,如LiFePO4、LiCoO2等;負(fù)極材料通過(guò)嵌入/脫出鋰離子,擴(kuò)大或縮減鋰離子電池的容量;電解液依賴于自身的高離子導(dǎo)電性能,實(shí)現(xiàn)正負(fù)電極間的電荷輸送,提升鋰離子電池充放電的存儲(chǔ)能量、功率密度及能量密度;隔膜可以防止正負(fù)極間的短路現(xiàn)象,確保鋰離子通暢無(wú)阻地在正負(fù)極板間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。
2.2 鋰離子電池?zé)崽匦?/p>
鋰離子電池的充放電過(guò)程是在正負(fù)極間經(jīng)由中間的電解液和隔板,進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。具體表現(xiàn)為:當(dāng)鋰離子動(dòng)力電池充電時(shí),由黃色的正極嵌入/脫出,并經(jīng)由電解液和隔膜進(jìn)入到藍(lán)色的負(fù)極。當(dāng)鋰離子動(dòng)力電池放電時(shí),由右邊藍(lán)色的負(fù)板脫插而出,并經(jīng)由電解液和隔板進(jìn)入黃色的正極。同時(shí),在鋰離子電池充放電的過(guò)程中,以熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱交換為傳熱的主要體現(xiàn)方式,并會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)熱、歐姆內(nèi)阻熱、極化內(nèi)阻熱等熱量,導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度、密度、電解液濃度和活性不斷發(fā)生變化。
3 立方體鋰離子電池組的溫度場(chǎng)分析
3.1 鋰電池單體及電池組在相同風(fēng)冷散熱條件下的溫度場(chǎng)分析
鋰離子電池的工作參數(shù)包括有:放電倍率、放電電流、放電時(shí)間、內(nèi)部生熱等,比較而言,鋰離子電池成組排列比單體的散熱效率要低,這主要是由于電池組僅有兩個(gè)面完全接觸空氣,相較于單體而言散熱面積較小,在對(duì)流與輻射傳熱的條件下難以散出電池?zé)崃俊?/p>
3.2 電池組強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱裝置的降溫效果分析
要建立電池組強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱裝置,實(shí)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池的熱管理,可以采用并行通風(fēng)裝置,保證電池周邊的氣流溫度在一定的低溫。當(dāng)電池組在1C放電倍率的條件下,簡(jiǎn)單的并行通風(fēng)散熱難以達(dá)到明顯的降溫效果;當(dāng)電池組在2C放電倍率的條件下,能夠達(dá)到明顯的風(fēng)冷降溫效果;當(dāng)電池組在3C放電倍率的條件下,電池溫度急劇升高,存在引發(fā)火災(zāi)及爆炸的風(fēng)險(xiǎn),必須安裝大功率的制冷裝置或采用水冷及相變材料,以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的冷卻處理,有效降低電池組的工作溫度。
3.3 電池組強(qiáng)迫水冷散熱裝置分析
可以建立電池組強(qiáng)迫水冷散熱裝置,保持5mm的電池間隙,設(shè)計(jì)扁平的立方體管道,以兩個(gè)鋰電池為一組,共設(shè)計(jì)六組,每組設(shè)置入水口和出水口。
4 鋰電池單體及電池組的均衡溫控策略分析
為了更加徹底地解決鋰電池組的高溫問(wèn)題,單純的空氣冷卻方式無(wú)法解決電池單體及電池組溫度過(guò)高的問(wèn)題,為此,應(yīng)當(dāng)對(duì)每一節(jié)電池和所有電池包進(jìn)行充放電的均衡,對(duì)鋰電池組實(shí)施散熱處理,減少和規(guī)避電池單體過(guò)充、過(guò)放的問(wèn)題。
4.1 均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
在純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池均衡控制系統(tǒng)之中,主要由均衡模塊、電壓采集模塊、控制器模塊、PTC加熱器、充電機(jī)等構(gòu)成,避免電池組中各電池單體電壓不一致而出現(xiàn)的損害。同時(shí),在均衡控制系統(tǒng)之中,要選取適宜的元器件,如選取電能消耗小、阻抗小、壓降小的SS13二極管;導(dǎo)通內(nèi)阻比較小的MOSFET管等,確定合理的電壓參數(shù)。另外,對(duì)電池單體和電池組進(jìn)行靜置、充放電實(shí)驗(yàn),縮減電池單體及電池組間的端電壓差異,實(shí)現(xiàn)充放電狀態(tài)下的均衡,避免電池單體過(guò)放、過(guò)充、欠壓而出現(xiàn)的溫度失控狀態(tài),有效延長(zhǎng)鋰離子動(dòng)力電池的使用壽命。
4.2 均衡系統(tǒng)策略分析
電池單體難以為純電動(dòng)汽車(chē)提供足夠的動(dòng)力支撐,為此要將電池單體進(jìn)行串聯(lián)形成電池組,然而因電池單體存在差異性,導(dǎo)致電池組在充放電過(guò)程中出現(xiàn)差異性問(wèn)題。對(duì)此可以采用均衡技術(shù)加以解決,均衡技術(shù)主要包括主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種方式,其中:被動(dòng)均衡是電阻放電式均衡,利用電阻消耗電量而產(chǎn)生熱能,實(shí)現(xiàn)電池放電均衡,要注意只可多個(gè)單體同時(shí)放電而不可充電。
5 結(jié)語(yǔ)
綜上所述,純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)日趨完善和成熟,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成為深度研究和開(kāi)發(fā)的重要課題,要明晰和了解純電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)及熱工作原理,分析立方體鋰離子電池組在不同條件下的溫度場(chǎng)分布,并從電池生熱的源頭入手,探討均衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略。未來(lái)還要著重研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的分析,基于電池工作中的電流變化狀態(tài)分析鋰離子電池工作過(guò)程,并關(guān)注電池組溫度過(guò)低狀態(tài)下的加熱處理研究,拓展鋰離子電池溫度控制研究的深度。
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