鋰離子動(dòng)力電池包熱管理系統(tǒng)研究與方案設(shè)計(jì)

滕峻林 申慧君 劉淑香 王競(jìng)

摘 ? 要：動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力源，鋰離子電芯因自身的優(yōu)點(diǎn)已成為目前設(shè)計(jì)純電動(dòng)汽車主要使用的電芯。鋰離子電池的性能受溫度的影響很大，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)，會(huì)減少電池的使用壽命和車輛的續(xù)航里程。文章以純電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池包為研究對(duì)象，通過對(duì)動(dòng)力電池組產(chǎn)熱機(jī)理的研究，對(duì)動(dòng)力電池包溫度控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋰離子動(dòng)力電池包;熱管理系統(tǒng);方案設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池是全地形純電動(dòng)賽車唯一的動(dòng)力源，工作性能的好壞直接影響整車的使用性能。目前，全地形純電動(dòng)賽車使用最多的是鋰離子動(dòng)力電池，鋰離子電池的性能受溫度的影響很大。當(dāng)溫度過高時(shí)，電池組的極化加劇、不可逆物質(zhì)生成加快等，這些副反應(yīng)會(huì)減少電池的使用壽命;電池組溫度過低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)阻增加、充放電容量減少等，影響電池的使用壽命和車輛的續(xù)航里程[1]。

因此，通過研究鋰離子動(dòng)力電池的生熱機(jī)理，優(yōu)化動(dòng)力電池包的結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)高效的熱管理系統(tǒng)是非常必要。

1 ? ?鋰離子電池生熱機(jī)理

鋰電池在進(jìn)行充放電時(shí)，電子和鋰離子動(dòng)作過程中產(chǎn)生的熱量稱為反應(yīng)熱，在可逆反應(yīng)中，電池在充電和放電條件下，上述反應(yīng)熱是相等的，符號(hào)是相反[2-3]，記為Qr。根據(jù)熵增原理，在實(shí)際進(jìn)行充放電時(shí)，上述情況是不可能發(fā)生的，所以還會(huì)有極化反應(yīng)產(chǎn)生的極化反應(yīng)熱Qp，過充過放引起的副反應(yīng)，電解質(zhì)分解及自放電生成的熱量，記為Qs。電池內(nèi)阻在充放電過程中產(chǎn)生的焦耳熱Qj。在實(shí)際的充放電過程中將其生成的熱量記為Qt，則可有如下關(guān)系式：

Qt=Qr+Qp+Qs+Qj （1）

在實(shí)際充放電過程，由于電池管理系統(tǒng)作用，會(huì)防止電池出現(xiàn)過充、過放的現(xiàn)象，Qs中的自放電因素?zé)崃可闪课⒑跗湮ⅲ蔘s可以忽略不計(jì)，另外可以利用等效極化內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量代替極化熱[4]，所以，電池充放電反應(yīng)的生熱量可以做進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

Qt=Qr+I2R（2）

式（2）中：R=Rz+ Rp，Rz是電池本身的歐姆內(nèi)阻。

電池內(nèi)阻R在充放電過程是不斷變化的，這是因?yàn)殡姵氐臏囟取㈦姌O活性物質(zhì)及電解液的質(zhì)量濃度都在不斷地變化，放電深度的大小決定了在放電過程中電流密度的大小，電流密度的大小很大程度上決定了極化內(nèi)阻的大小，所以可以利用放電深度來表達(dá)電池內(nèi)阻[4]。

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池只有工作在適合的溫度范圍才能使充放電性能、使用壽命、安全性能等最佳。鋰離子電池的最佳工作溫度范圍在25～30 ℃之間[5]，電動(dòng)汽車使用的環(huán)境溫度一般在-30～60 ℃，所以，對(duì)于如何保持鋰離子電池工作在適合的溫度條件下提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 ? ?鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

方案中主要的模塊有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電池箱、PTC加熱器、散熱風(fēng)機(jī)、顯示屏、負(fù)載、PTC加熱器、散熱風(fēng)機(jī)等（見圖1）。電池管理系統(tǒng)采集電池箱中的20串單體電池的電壓，用于檢測(cè)單體電池的電壓狀態(tài)并計(jì)算電池組的電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）、電池剩余電量（State of Energy，SOE）等值，作為間接反映溫度對(duì)鋰離子電池工作性能影響的指標(biāo)之一。電池管理系統(tǒng)采集電池箱中4路溫度信號(hào)，用于監(jiān)控電池箱內(nèi)溫度變化，當(dāng)溫度過高時(shí)起動(dòng)風(fēng)機(jī)散熱，過熱時(shí)切斷電源;當(dāng)溫度過低時(shí)，不允許電池充放電起動(dòng)PTC加熱器對(duì)電池加熱;當(dāng)負(fù)載超負(fù)荷時(shí)，不允許電池組放電。

3 ? ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的硬件電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電池箱、電池單體、單體電池和電池組電壓采集模塊、溫度傳感器、散熱風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、PTC加熱驅(qū)動(dòng)模塊、散熱風(fēng)機(jī)、PTC加熱器、藍(lán)牙模塊、顯示屏等。

加熱子系統(tǒng)采用PTC加熱，對(duì)電池包內(nèi)部的每個(gè)串聯(lián)的電池組的上表面、下表面和側(cè)面均鋪設(shè)PTC加熱膜，對(duì)于電磁組下表面的加熱器與箱底之間加裝絕緣層，在提高鋰離子單體電池加熱效果的同時(shí)保證安全性。

散熱子系統(tǒng)采用并行通風(fēng)和水冷相結(jié)合的混合冷卻方式，能最大程度增加每塊單體電芯的冷卻效率。

4 ? ?系統(tǒng)充放電高溫、低溫控制策略

鋰離子熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)電池箱溫度的控制，當(dāng)溫度過高時(shí)，對(duì)電池單體進(jìn)行冷卻，如果溫度持續(xù)升高，不能及時(shí)冷卻，則進(jìn)行斷路保護(hù)。當(dāng)溫度過低時(shí)，對(duì)電池單體進(jìn)行升溫，如果溫度持續(xù)降低，不能及時(shí)升溫，則進(jìn)行斷路保護(hù)。鋰離子電池的使用狀態(tài)主要有充電狀態(tài)和放電狀態(tài)，根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的總目標(biāo)，本系統(tǒng)制定了總體的電池箱高、低溫控制策略，如圖3所示。

5 ? ?結(jié)語

通過研究鋰離子動(dòng)力電池的生熱機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池的熱量主要由4部分組成，即Qr，Qp，Qs，Qj。為了使鋰離子單體電芯工作性能最佳，設(shè)計(jì)了鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)總體方案，進(jìn)一步細(xì)化了系統(tǒng)的溫度采集單元、加熱子系統(tǒng)和散熱子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，制定了系統(tǒng)充放電高溫、低溫控制策略，電池箱溫度信息采集策略。通過合理的溫度采集點(diǎn)選擇，優(yōu)化的加熱系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鋰離子動(dòng)力電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

[參考文獻(xiàn)]

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