純電動汽車動力電池溫度管理分析

任恒 呂寶占

摘 要：現(xiàn)階段我國純電動汽車的研究浪潮十分激烈，而在這其中，鋰離子電池起到了十分重要的動力源作用。但是鋰離子電池在應(yīng)用于純電動汽車駕駛之際，會產(chǎn)生大量的熱量嚴(yán)重影響鋰離子電池的應(yīng)用性能，甚至加劇電池使用壽命的縮減。因此對于純電動汽車的動力電池溫度散熱管理是電動汽車研究領(lǐng)域普遍關(guān)注的重點(diǎn)。本文基于純電動汽車動力電池溫度管理，提出改善動力電池溫度管理質(zhì)量的策略與建議，望能夠?yàn)槲覈妱悠囶I(lǐng)域在動力電池溫度管理上提供新的思路。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;鋰離子電池;動力源;散熱管理;溫度管理

1 純電動汽車動力電池溫度管理意義分析

眾所周知，動力電池是純電動汽車的唯一動力源，由于電池放電性能、充電性能、荷電保持能力、電池循環(huán)壽命、SOC、電壓以及電池安全性能很容易受到環(huán)境溫度的影響。尤其是對于純電動汽車這樣龐大的行駛交通工具來將，對電池適應(yīng)溫度范圍的要求十分嚴(yán)格。Freedom CAR提出電動汽車動力電源系統(tǒng)的適應(yīng)溫度范圍應(yīng)當(dāng)在-30-52℃之間，顯然目前的純電動汽車并沒有相應(yīng)的動力動力電池能夠滿足這一要求。市場上很多純電動汽車動力系統(tǒng)溫度的控制比較單調(diào)，且存在很多缺陷。比如大部分采取自然冷卻的措施，這種降溫措施的效果顯然并不理想;一部分采取風(fēng)冷降溫，即應(yīng)用風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫，但是這種缺陷不僅成本高，且降溫不均勻;一部分應(yīng)用冷卻液降溫，但是由于部分冷卻液缺少流動性，導(dǎo)致降溫效率不高;還有一部分降溫措施是基于控制動力電池內(nèi)芯片溫度來達(dá)到動力電池溫度管理的目的，但是很有可能存在一定的安全隱患。因此從現(xiàn)階段市場純電動汽車動力電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀來看，構(gòu)建一套完善的動力源控制系統(tǒng)，在純電動市場領(lǐng)域有著十分可觀的應(yīng)用前景[1]。

2 以動力電池能量管理系統(tǒng)改善溫度管理

從以往的電動汽車動力電池能量管理系統(tǒng)來看，主要由上下、左右并列動力電池包以及動力電池包內(nèi)冷卻液管道、動力電池包左右上下連接管道、相變材料等所構(gòu)建而成。本文針對傳統(tǒng)電動汽車動力電池能量管理系統(tǒng)進(jìn)行一番改進(jìn)，即對動力電池包內(nèi)冷卻液管道更換為發(fā)散狀結(jié)構(gòu)管道，這樣一來在冷卻液流動中確保溫度的散發(fā)以及被吸收效率得到顯著提升，同時應(yīng)用交叉雙進(jìn)雙出的管道流動方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保單體動力電池溫度的穩(wěn)定性與均勻性。而相變材料的設(shè)計(jì)與選擇可以根據(jù)不同動力電池在不同工作溫度下進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保這些動力電池能夠在最為適宜的溫度環(huán)境中發(fā)揮最為優(yōu)異的動力電池性能[2]。

2.1 冷卻液補(bǔ)償水箱

冷卻液在管道流動中也會受到熱脹冷縮的影響，因此基于這種情況下應(yīng)用冷卻液補(bǔ)償水箱來為管道內(nèi)所流動的冷卻液提供補(bǔ)償或吸收功能。當(dāng)冷卻液在吸收熱量而溫度過高之時體積會增加，從而多余的冷卻液可以流入補(bǔ)償水箱之中，而當(dāng)冷卻液溫度降低之時體積會顯著減少，此時可以從補(bǔ)償水箱中所儲存的冷卻液進(jìn)行補(bǔ)充。因此可以根據(jù)這個原理來實(shí)時檢測管道冷卻液的工作動態(tài)。此外，在冷卻液材料選擇中，根據(jù)結(jié)合不同動力電池的工作溫度來選擇最為合適的溫度配比，純電動汽車動力電池能量管理系統(tǒng)的冷卻液多以水/乙二醇為主，因此可以適當(dāng)改變水和乙二醇之間的配比來改變冷卻液凝固點(diǎn)。

2.2 節(jié)溫器

節(jié)溫器的作用是控制冷卻液流動開關(guān)，如果動力電池包溫度過低的情況下，可以通過關(guān)閉散熱器方向的冷卻液流動通道來使冷卻液流入動力電池包提升溫度;而動力電池包溫度過高的情況下，可以通過打開散熱器方向的冷卻液流動通道并關(guān)閉冷卻液加熱方向的流動通道控制開關(guān)，而冷卻液在節(jié)溫器通道的控制則需要應(yīng)用到節(jié)溫器。

2.3 散熱器

應(yīng)用散熱器來為冷卻液提供降溫散熱措施，使冷卻液能夠迅速冷卻下來。實(shí)際上當(dāng)動力電池包溫度處于正常情況下或者需要升溫的情況，散熱器處于工作靜止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)動力電池包溫度較高而需要散熱的情況下，應(yīng)用散熱器來散熱，并與冷卻液的管道流動進(jìn)行配合達(dá)到散熱的目的。

2.4 加熱裝置

加熱裝置的作用是為了提升管道流動冷卻液溫度，由于動力電池溫度過低很容易影響動力電池性能，此時加熱裝置可以通過對冷卻液的加溫來提升冷卻液溫度，并通過水泵作用來流入動力電池包起到升溫作用。

2.5 水泵

冷卻液的流動需要動力來源支持，而水泵的應(yīng)用可以為之提供動力來源。當(dāng)動力電池包溫度處于穩(wěn)定狀況時，管道內(nèi)的冷卻液會在其中處于自由流動狀況;而當(dāng)動力電池包溫度比較低且需要升溫的情況下，需要先應(yīng)用加熱裝置來提升冷卻液溫度，在水泵的作用下將加熱鍋的冷卻液輸入節(jié)溫器當(dāng)中，由節(jié)溫器與動力電池包之間的連接管道來流入動力電池包起到升溫作用;而當(dāng)動力電池包內(nèi)溫度比較高且需要降溫的情況下，加熱裝置需要盡快停止工作，并將溫度較高的冷卻液在水泵作用下輸入散熱器中進(jìn)行散熱，再經(jīng)由節(jié)溫器流入動力電池包中達(dá)到降溫作用。

3 動力電池能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 散熱降溫

在單體動力電池包內(nèi)，由于動力電池2溫度比較高，需要盡快進(jìn)行散熱與降溫，避免動力電池2溫度超過52℃，當(dāng)達(dá)到這個高溫之際，動力電池的充放電性能將會受到極為顯著的負(fù)面影響，這時候溫度檢測裝置8可以促進(jìn)填充于單體動力電池包內(nèi)部動力電池2的相變材料10產(chǎn)生相變?而這種相變材料一般可以利用Na2S2O3·5H2O（硫代硫酸鈉晶體，俗稱海波或大蘇打）作為相變材料，該材料相變溫度為48.5℃，可以在動力電池溫度上升至52℃之前產(chǎn)生相變，此時固體材料可以變?yōu)橐后w材料流入單體動力電池包1位置，確保與動力電池2的溫度基本相同。相變過程結(jié)束后溫度傳感器可以檢測動力電池2的溫度，而此時動力電池包1由于溫度較高，導(dǎo)致冷卻液管道3-5處的冷卻液溫度上升。同時會在重力作用下流過散熱系統(tǒng)總成9，同時在外界自然風(fēng)作用下進(jìn)行自然風(fēng)冷，如風(fēng)冷降溫效率不足需要啟動散熱風(fēng)扇進(jìn)行散熱冷卻，之后冷卻液會流入節(jié)溫器5當(dāng)中，將其分為方向一與方向二兩個方向，方向一方向的冷卻液會在動力電池包1內(nèi)部循環(huán)流動，而方向二方向的冷卻液會從31管道經(jīng)過33管道再進(jìn)入動力電池包內(nèi)部進(jìn)行降溫，再從32管道流出，同時經(jīng)由34管道與方向一冷卻液一并流入加熱裝置8中，此時加熱裝置8并未處于工作狀況，而匯聚的冷卻液會繼續(xù)流入水泵6到散熱器系統(tǒng)9，繼而經(jīng)由節(jié)溫器5再分開流入動力電池包顳部，匯聚于水泵6再流入散熱器系統(tǒng)9中，但降溫散熱過后的冷卻液繼續(xù)流入節(jié)溫器5中進(jìn)行循環(huán)工作。由于冷卻液受熱體積增大的緣故，多余的冷卻液會被吸入補(bǔ)償水箱4當(dāng)中，確保此時管道流動冷卻液壓強(qiáng)穩(wěn)定性以保障散熱降溫的效率性，見圖1。

3.2 加熱升溫

單體動力電池包內(nèi)動力電池2溫度比較低的情況下需要提升溫度，此時為了避免冷卻液也會受到凝固而影響流動性，可通過調(diào)節(jié)冷卻液成分水與乙二醇比例來降低冷卻液凝固點(diǎn)[5]。在溫度檢測裝置8檢測到動力電池包溫度變得十分低的情況下，將會關(guān)閉水泵6與散熱器系統(tǒng)9之間的連接管路，并開啟加熱裝置7對管道內(nèi)的冷卻液進(jìn)行加熱，將加熱后的冷卻液輸入水泵6再到節(jié)溫器5，同時以方向三以及方向四兩個方向分別流入單體動力電池包1內(nèi)進(jìn)行循環(huán)升溫以及流入31管道，繼而經(jīng)由33管道流入動力電池包內(nèi)部，對其進(jìn)行加熱，再從32管道流出，經(jīng)由34管道，與方向一方向所流入的冷卻液進(jìn)行匯聚并流入加熱裝置8，加熱完畢后經(jīng)由水泵6再進(jìn)入節(jié)溫器中進(jìn)行循環(huán)流動。由于冷卻液低溫體積會明顯縮減，而補(bǔ)償水箱4則可以為管道提供冷卻液補(bǔ)給，確保管道內(nèi)壓強(qiáng)穩(wěn)定性，保障整體加熱升溫的效率性[6]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文通過研究純電動汽車動力電池溫度管理的意義，再詳細(xì)分析動力電池能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用，望能夠借助本次研究推動我國電動汽車領(lǐng)域的先進(jìn)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉斐.純電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2012.

[2]吳澤民，潘香英，馮超.純電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車電器，2013（01）：16-18.

[3]薛超坦.基于液冷的純電動汽車鋰電池?zé)峁芾硌芯縖D].