電動(dòng)汽車鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 禮

(湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 前言

電動(dòng)汽車以車載電源為動(dòng)力，通過鋰離子電池組中不同元素化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量來帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。當(dāng)電池工作時(shí)，電池體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生熱量，如果這些熱量不能及時(shí)有效地排出，會(huì)造成電池組溫度上升和溫度分布不均勻，嚴(yán)重影響到電池的使用壽命和安全性能。因此，搭建電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)，可有效控制電池組的熱量排放，提高電池的充放電效率。

本文對電動(dòng)汽車鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，分析了電池組內(nèi)部電池單體溫度差異情況。通過對電池溫度變化實(shí)施熱管理與監(jiān)控，可保障電池組的可靠性與安全性。在搭建電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)時(shí)，可通過散熱、加溫、通風(fēng)等方式對電池溫度進(jìn)行控制，以提高電動(dòng)汽車電池組的應(yīng)用效果。

1 電池結(jié)構(gòu)與工作原理

鋰離子電池是電動(dòng)汽車電池組的核心部件，具有電壓高、質(zhì)能比高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等特點(diǎn)。鋰離子電池的標(biāo)稱電壓設(shè)定為3.6 V，比鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池等電池的工作電壓高。鋰離子電池質(zhì)量小、電壓高，電池質(zhì)能比較高，符合電動(dòng)汽車輕量化設(shè)計(jì)要求。鋰離子電池具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，其工作溫度在-20～60 ℃的范圍內(nèi)。鋰離子電池充放電過程是通過正價(jià)鋰離子在正負(fù)極間往返運(yùn)動(dòng)完成的。鋰電池充電過程中，正價(jià)鋰離子與負(fù)價(jià)電子結(jié)合發(fā)生氧化還原反應(yīng)，正價(jià)鋰離子從正極移動(dòng)到負(fù)極，到達(dá)負(fù)極的鋰離子會(huì)嵌入到碳層微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。鋰電池在放電過程中，負(fù)極石墨層內(nèi)的鋰離子脫出，從負(fù)極運(yùn)動(dòng)回到正極，返回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

2 電池單體熱特性

電動(dòng)汽車電池組出現(xiàn)熱量不平衡的現(xiàn)象與電池單體熱性有直接關(guān)系。在搭建電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮電池單體的熱特性變化。

利用型號N7954A的電源系統(tǒng)，對電池充放電過程進(jìn)行測試，分析電池單體的輸出功率及電流分配情況。選擇的鋰離子電池高度為65 mm，內(nèi)阻為60 mΩ，容量為3 400 mA，單體質(zhì)量為48 g，充電電壓為4.2 V，放電電壓為2.5 V，標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.7 V。鋰離子電池的初始溫度為27 ℃，在充電狀態(tài)下，其工作溫度為0～40 ℃；在放電狀態(tài)下，其工作溫度則為-20～60 ℃。在絕熱條件下，電池單體熱性變化較明顯，鋰離子電池在放電工作狀態(tài)下產(chǎn)生的熱量會(huì)更高。鋰離子電池在工作了800 s后，其放電溫差為3.16 ℃。因此，電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)對電池單體的熱特性進(jìn)行控制，可提升電動(dòng)汽車電池組熱管理的控制水平。

3 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 熱管理系統(tǒng)功能

根據(jù)電池組的實(shí)際狀況，搭建并優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。通過電池單體熱量控制與電池組整體控制相結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池組熱管理控制效果的提升。電池組熱管理系統(tǒng)的搭建，可利用通風(fēng)處理的方式，將電池溫度作為監(jiān)控指標(biāo)之一實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)針對熱量這一參數(shù)，在仿真軟件上增加系統(tǒng)控制和分析報(bào)警功能，多維度提升電動(dòng)汽車電池組的工作效率。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電動(dòng)汽車在行駛過程中，為保持汽車的動(dòng)力性能，應(yīng)確保電池組在工作時(shí)的溫度，避免電池單體產(chǎn)生的熱量過高，影響電池組的工作效率。因此，在進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)電池單體性能確定電池組的最優(yōu)工作溫度范圍，提高電池組的綜合控制效果。不同車型的電池組最優(yōu)工作溫度存在一定差異，因而在控制電池組最優(yōu)工作溫度范圍時(shí)，應(yīng)優(yōu)化操作流程，提高溫度控制能力。在搭建電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)模型時(shí)，應(yīng)先模擬電池組的最優(yōu)工作溫度，并將溫度控制在25～40 ℃范圍內(nèi)。由于電池組的導(dǎo)熱性能較差，熱能傳遞效率較低，測溫點(diǎn)測量出來的溫度與電池組的實(shí)際工作溫度有差異，不能直接使用溫度傳感器的參數(shù)值來代替電池組的實(shí)際溫度，應(yīng)采用數(shù)學(xué)建模的方法來搭建電池組熱管理系統(tǒng)模型，并根據(jù)測溫點(diǎn)測量的溫度參數(shù)計(jì)算電池組的實(shí)際溫度。

電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)通常采用的傳熱介質(zhì)有空氣、液體和相變材料等?？諝饫鋮s是最簡單的冷卻方式，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較小、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但空氣導(dǎo)熱較慢，傳熱效率不高。液體冷卻方式多采用礦物油、水、防凍液等作為非直接接觸的傳熱介質(zhì)，通過水套等換熱設(shè)施快速對電池組進(jìn)行冷卻。相變材料是一種新型的冷卻介質(zhì)，相變材料可以直接吸收來自外界的熱量，對電池進(jìn)行冷卻降溫，冷卻效率較高，但其應(yīng)用成本較高。在搭建電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)模型時(shí)，應(yīng)建立測溫點(diǎn)，并設(shè)置溫度傳感器測量模型溫度。通過對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，溫度傳感器數(shù)量越多，模型溫度的測量結(jié)果越準(zhǔn)確，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)成本。因此，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在確保溫度測量準(zhǔn)確性的前提下，合理選擇溫度傳感器的數(shù)量，保證電動(dòng)汽車電池組散熱控制平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)對外界溫度、風(fēng)力等條件進(jìn)行綜合分析，修正模型溫度的準(zhǔn)確性。對于以空氣為傳熱介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，風(fēng)機(jī)功率的選擇是否合理也會(huì)影響到系統(tǒng)的工作效率。風(fēng)機(jī)功率越大，散熱速率越快，但會(huì)相應(yīng)增加系統(tǒng)成本。因此，在進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮其性能與成本因素，在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)提高系統(tǒng)的散熱能力。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可使用自動(dòng)變速器油(ATF)作為能量傳遞和吸收的介質(zhì)，并確保滿足以下條件：① 電池單體工作溫度不超過40 ℃；② 為保證溫度上的一致性，電池單體間的溫差應(yīng)控制在5.00 ℃以內(nèi)；③ 由于采用了液體冷卻，應(yīng)確保系統(tǒng)具有良好的絕緣性，防止泄漏。

在電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對溫度控制與運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行分析，并在溫度變化處理與分析基礎(chǔ)上，提高電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果。在搭建并優(yōu)化電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)模型時(shí)，通過采用冷卻液吸收各電池單體熱量的冷卻控制方式，提升電池單體的散熱處理水平，實(shí)現(xiàn)電池組快速冷卻。

在電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)模型仿真參數(shù)設(shè)置中，應(yīng)對湍流模型進(jìn)行選擇。使用ATF作為散熱介質(zhì)，使用水泵為其提供循環(huán)動(dòng)力，采用強(qiáng)制對流冷卻形式。因此，流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可通過雷諾數(shù)來判斷。雷諾數(shù)與流體速度有關(guān)，通過雷諾數(shù)計(jì)算，確保散熱系統(tǒng)的雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)，流體流動(dòng)方式設(shè)置為湍流。此外，還可通過流體動(dòng)力黏性系數(shù)對流體通道進(jìn)行優(yōu)化，提高電池組散熱效率。

3.4 電池組冷卻計(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用中，電池組冷卻系統(tǒng)的熱量傳遞具有明顯的耦合特征。因此，可將其視為整體，采用離散法對電池組進(jìn)行冷卻計(jì)算。通過微分方程，對電池組的壓力、動(dòng)量、能量等進(jìn)行離散計(jì)算，優(yōu)化電池組熱管理系統(tǒng)的冷卻處理過程，提高流場變量的控制效果。此外，還可通過控制迭代計(jì)算的方式加速計(jì)算收斂速度，提高冷卻處理的計(jì)算水平。

電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)邊界條件的設(shè)置，可通過計(jì)算域邊界數(shù)值來獲得，同時(shí)應(yīng)對流體域的出入口位置與散熱處理過程進(jìn)行完善，提高冷卻處理水平。其中，入口邊界包含速度入口邊界、壓力入口邊界、質(zhì)量流量入口邊界等，由于ATF液壓油不可壓縮，其密度可設(shè)置為常數(shù)，通過冷卻流速控制，滿足冷卻處理需求，其質(zhì)量流量可取值0.03 kg/s。出口邊界包含壓力出口邊界及質(zhì)量出口邊界，在對邊界條件進(jìn)行靜壓處理過程中，可利用壓力出口邊界，對出口位置流體的靜壓進(jìn)行控制，提高出口邊界的優(yōu)化水平。

結(jié)合冷卻液流場運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過調(diào)整電池單體與換熱介質(zhì)之間的對流換熱系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對電池組散熱結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將電池組的溫差控制在4.54 ℃，使電池組的工作溫度得到更好地控制。同時(shí)，冷卻液流量也是影響熱管理控制系統(tǒng)的因素之一，應(yīng)通過調(diào)整循環(huán)系統(tǒng)中冷卻液流量，控制電池組溫度。當(dāng)電池組工作溫度較高時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)控制增加冷卻液流量，對電池組進(jìn)行快速散熱。當(dāng)電池組工作溫度正常時(shí)，系統(tǒng)可適當(dāng)減少冷卻液流量，在減少能耗的同時(shí)可延長循環(huán)水泵的使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，通過將多個(gè)電池組模塊聯(lián)合在一起的方式，可實(shí)現(xiàn)對電池能量損耗的控制，提高冷卻液流量的綜合控制效果。

3.5 搭建散熱系統(tǒng)

搭建電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)時(shí)，可通過液冷散熱方式，對電池組的溫度變化進(jìn)行保護(hù)，保證電池溫度的均勻性?？赏ㄟ^優(yōu)化鋰離子電池的放電倍率、標(biāo)準(zhǔn)電壓與體積空間等參數(shù)，提高散熱效果。

電動(dòng)汽車電池組的外觀尺寸設(shè)置如下：長度295 mm、寬度94 mm、高度210 mm。在電池組整體結(jié)構(gòu)中組建鋰離子動(dòng)力電池支架、引流線、串流引線和螺栓等部件，提高電池組熱管理系統(tǒng)的運(yùn)行效果。在電池組散熱過程中，通過對導(dǎo)線連接的熱能轉(zhuǎn)化及電池組夾套設(shè)計(jì)，提高電池組的穩(wěn)定性與散熱性能。根據(jù)電池組的散熱要求，合理調(diào)整電池組與電池組支架間的縫隙。將肋板高度設(shè)置為2.5 mm，以提高電池組的散熱效果，并優(yōu)化電池組的固定結(jié)構(gòu)與電池組的運(yùn)行狀況，提高電池組的運(yùn)行控制效果。

為了保證拆裝電池組時(shí)的安全性，應(yīng)對固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在確保電池箱密封性良好的基礎(chǔ)上，對電池箱與殼體間隙密閉性進(jìn)行控制，提升系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)語

在電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過電池組流場初始化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使對該系統(tǒng)的整體工作性能得到多方面的提升。在整體結(jié)構(gòu)搭建時(shí)，結(jié)合了電池組自身的結(jié)構(gòu)與電池單體特性，優(yōu)化了散熱過程，提升了電池組的散熱水平。為了保證電池箱的密封性，在殼體與電池箱之間設(shè)置了密封圈，并搭建了電池單體熱特性模型，提高了電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果。此外，通過改變電池組的流場條件，對電池組整體溫度場進(jìn)行了評估，可供提升電池組散熱水平參考。