新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究

摘要：新能源汽車的動(dòng)力源為動(dòng)力電池，在動(dòng)力電池使用期間，溫度上升會(huì)使其多種工作特性參數(shù)受到負(fù)面影響。基于此，研究更加先進(jìn)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)已經(jīng)成為新能源汽車領(lǐng)域的熱點(diǎn)。首先對新能源汽車動(dòng)力電池及熱管理系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了概述，其次提出了一種能夠?qū)?dòng)力電池工作溫度進(jìn)行有效控制的熱管理系統(tǒng)方案，并對該系統(tǒng)構(gòu)成、控制方式以及選型進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;動(dòng)力電池;熱管理系統(tǒng)

中圖分類號：U461 收稿日期：2022-07-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.006

1 前言

近年來，新能源汽車逐漸走進(jìn)了大眾的視野，并在滿足人們出行需要、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低污染物排放規(guī)模等多個(gè)方面發(fā)揮了重要作用。新能源汽車的整體性能基本是由其內(nèi)部的動(dòng)力電池所決定的，而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池性能的充分發(fā)揮，降低電池使用期間溫度過高產(chǎn)生的不利影響至關(guān)重要，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵就在于動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的科學(xué)研發(fā)。

2 新能源汽車動(dòng)力電池及熱管理系統(tǒng)概述

從當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r來看，其正處于行業(yè)內(nèi)顛覆性變革的階段。a.由于汽車產(chǎn)業(yè)正與多種新興技術(shù)之間進(jìn)行更加深層次的融合，例如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及人工智能技術(shù)等，新能源汽車呈現(xiàn)出共享化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化以及智能化的發(fā)展態(tài)勢，并且能夠?yàn)樯鐣?huì)大眾提供移動(dòng)出行服務(wù)。b.當(dāng)前消費(fèi)者對于新能源汽車提出了越來越高的消費(fèi)需求，并且國家補(bǔ)貼政策逐漸退坡9u58sJ47n3mbbJWNhrsSSA==，在這種情況下，新能源汽車不得不在產(chǎn)業(yè)成本和制造方式等方面進(jìn)行更加充分的變革，而動(dòng)力電池則是變革期間的首要任務(wù)[1]。

新能源汽車的動(dòng)力電池在發(fā)揮作用時(shí)基本原理為：借助動(dòng)力電池自身的電化學(xué)反應(yīng)，鋰離子會(huì)在電池的正極與負(fù)極之間移動(dòng)，以此發(fā)揮電池的充電與放電功能。在電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的過程中，會(huì)向外界釋放出一定的熱量，所以會(huì)出現(xiàn)溫度增加的情況，在這種條件下，動(dòng)力電池自身將會(huì)受到一定的影響，例如電池循環(huán)壽命、電池一致性、電池充放電效率、電池可用容量、SOC、電壓以及內(nèi)阻等，情節(jié)嚴(yán)重時(shí)，還可能導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而致使電池著火。

動(dòng)力電池工作溫度的變化將對新能源汽車的加速性能、車速峰值以及續(xù)駛里程產(chǎn)生一定程度的影響，如果想要使新能源汽車處于較高的行駛速度，動(dòng)力電池就需要釋放出充足的電流作為支撐，倘若此時(shí)周邊溫度條件較低或較高，均會(huì)對動(dòng)力電池的性能產(chǎn)生較大程度的影響，影響其電流釋放。由此可見，對于新能源汽車動(dòng)力電池而言，一個(gè)性能良好、效率較高的熱管理系統(tǒng)必不可少，該系統(tǒng)能夠冷卻動(dòng)力電池系統(tǒng)或者是加熱動(dòng)力電池系統(tǒng)，從而使新能源汽車能夠在嚴(yán)寒或酷熱的條件下實(shí)現(xiàn)順利行駛。

3 新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)構(gòu)成

本文所研究的新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中涉及的系統(tǒng)主要包括以下幾方面：a.動(dòng)力電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)中共包含三項(xiàng)要素，分別是BMS控制器、電池包1、電池包2;b.加熱模塊。這一模塊中共包含兩方面內(nèi)容，分別是PTC以及加熱器控制裝置，在此之中，PTC是一種正溫度系數(shù)的電阻絲;c.制冷模塊。此模塊中包含的內(nèi)容主要有TMS控制器、水泵以及空調(diào)機(jī)組;d.膨脹水箱;e.水溫傳感器;f.三通。此種新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)構(gòu)成架構(gòu)如圖1所示。

從圖中可知，在該動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，動(dòng)力電池系統(tǒng)中各個(gè)組成要素的連接方式如下：動(dòng)力電池包1的出水口一端在通過三通1之后與同系統(tǒng)中動(dòng)力電池包2的出水口一端實(shí)現(xiàn)了連接，而其進(jìn)水口一端則借助三通2與電池包2的進(jìn)水口一端進(jìn)行有效連接;在該熱管理系統(tǒng)中，制冷模塊在連接動(dòng)力電池系統(tǒng)所借助的介質(zhì)為三通3，與此同時(shí)，三通3還是動(dòng)力電池系統(tǒng)與維修球閥連接的主要介質(zhì)。另外，動(dòng)力電池系統(tǒng)在與水溫傳感器進(jìn)行連接時(shí)所使用的介質(zhì)為三通2[2]。

4 新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制方式

在本文所研究的新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，熱管理的整個(gè)循環(huán)流程需要經(jīng)過若干個(gè)構(gòu)成要素，例如膨脹水箱、空調(diào)機(jī)組、水泵、PTC、水溫傳感器、動(dòng)力電池包、三通等，在經(jīng)過循環(huán)之后，還會(huì)再次回歸至膨脹水箱。

當(dāng)新能源汽車開始啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)即開始發(fā)揮作用[3]。BMS控制器會(huì)將動(dòng)力電池系統(tǒng)中每一個(gè)電芯的溫度進(jìn)行采集，包括電池包1和電池包2。a.如果控制器采集到的電芯溫度峰值超過了37 °C，那么BMS控制器就會(huì)將相關(guān)信息遞交至TMS控制器中，在接收到信息之后，TMS控制器將會(huì)向水泵和空調(diào)機(jī)組發(fā)送對應(yīng)的制冷指令，此時(shí)這兩項(xiàng)要素將會(huì)進(jìn)入開啟狀態(tài)，并借助制冷劑降低冷卻液的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度降低的目標(biāo)。b.如果BMS控制器采集到的電芯溫度峰值處于32～37 °C之間，此時(shí)該控制器依舊會(huì)將相應(yīng)的信息遞交至TMS控制器中，在接收到信息之后，TMS控制器就會(huì)向水泵下達(dá)自循環(huán)的指令，此時(shí)空調(diào)機(jī)組將處于關(guān)閉狀態(tài)。c.如果BMS控制器采集到的電芯溫度峰值小于32 °C，當(dāng)BMS控制器將信息遞交至TMS控制器之后，TMS控制器將會(huì)向水泵發(fā)送關(guān)機(jī)指令，此時(shí)動(dòng)力電池將會(huì)借助外界溫度條件調(diào)節(jié)自身溫度。d.如果電芯溫度最小值處于12～15 °C之間，此時(shí)動(dòng)力電池系統(tǒng)需要進(jìn)行加熱操作，當(dāng)TMS系統(tǒng)接收到BMS系統(tǒng)發(fā)送的信息之后，將會(huì)向水泵發(fā)送開機(jī)指令，同時(shí)將相應(yīng)的信息輸送至加熱器控制器中，進(jìn)而向PTC下達(dá)加熱指令，此時(shí)熱管理系統(tǒng)中的PTC和水泵處于開啟狀態(tài)，能夠?qū)囟冗M(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

5 新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)選型

熱管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與動(dòng)力電池正常工作期間所提出的制冷需求相滿足，換言之，動(dòng)力電池的發(fā)熱功率應(yīng)當(dāng)與汽車制冷機(jī)組制冷功率保持一致。本文在分析新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)選型時(shí)，以某一款新能源汽車作為研究對象，展開動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的相關(guān)研究，表1為該案例車輛的相關(guān)參數(shù)。

在計(jì)算動(dòng)力電池制冷效率的過程中，通常會(huì)涉及電池單體生熱率，就現(xiàn)階段相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r來看，使用頻率較高的一種電池生熱率模型為美國加州大學(xué)伯克利分校D.Bernardi所提出的模型，具體如下：

q=（I2R0-I·T[dE0dT]）/Vb （1）

式中，q為電池電芯的實(shí)際生熱率，W/m3;I為動(dòng)力電池電芯放電電流的實(shí)際數(shù)值，A;R0為動(dòng)力電池電芯內(nèi)阻數(shù)值，Ω;T[dE0dT]為電池系統(tǒng)中電芯電化學(xué)特性的物理量，通常來說，這一內(nèi)容可以用一個(gè)具體的數(shù)值表示，此處取11.16×10-3 V;Vb為電芯電池的具體體積，m3。

在本文中，Vb的具體數(shù)值需要以案例車輛為基礎(chǔ)，其數(shù)值計(jì)算方式如下：

Vb=13×48×174×10-9=1.11×10-9 m3 （2）

本案例中新能源汽車單體電池的具體生熱率計(jì)算方式如下：

q=（2502×0.73×10-3×-250×11.16×10-3）÷（1.11×10-9）

=38 561 W/m3 （3）

此外，在對電池包的實(shí)際散熱功率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要使用如下公式：

Pb=q·n·Vb （4）

式中，Pb為動(dòng)力電池包散熱功率，W;q為電池電芯的生熱率，W/m3;n為動(dòng)力電池包電芯數(shù)量;Vb為電芯電池體積，m3。

將已知數(shù)值代入之后可以獲取如下結(jié)果：

Pb=38 561×100×1.11×10-9=4 283.5 W （5）

這一結(jié)果即為動(dòng)力電池實(shí)際運(yùn)行過程中需要的具體制冷功率?；诖耍趯ΤＲ妷嚎s機(jī)制冷功率進(jìn)行查閱和分析之后，認(rèn)為使用4.5 kW的壓縮機(jī)最為恰當(dāng)。

在明確動(dòng)力電池實(shí)際運(yùn)行期間的制冷功率需求之后，就可以具體計(jì)算加熱功率，相應(yīng)方法如下：

PPTC=C·m·（Tout-Tin）/T （6）

式中，PPTC為動(dòng)力電池自身的加熱功率，W;C為電池冷卻液的比熱容，J/（kg·°C）;m為冷卻液重量，kg;Tout為車輛動(dòng)力電池冷卻液流出時(shí)的實(shí)際溫度，°C;Tin為電池冷卻液輸入時(shí)的具體溫度，°C;T為加熱動(dòng)力電池冷卻液需要消耗的周期，s。

本文所研究的案例車輛設(shè)計(jì)使用的電池冷卻液是目前市場上比較普遍的一種類型，即50%的乙二醇溶液，該車輛可以存放5L的冷卻液，并且該液體自身的比熱容為3 300 J/（kg·°C）。當(dāng)其溫度處于25 °C時(shí)，密度為1 071.11 kg/m3，此時(shí)電池冷卻液出水溫度為25 °C，進(jìn)水溫度保持在0 °C，加熱時(shí)長共計(jì)90 s。

在已知上述數(shù)值的情況下，就可以將這些具體數(shù)值代入式（6）中完成相應(yīng)的計(jì)算，實(shí)際結(jié)果如下：

PPTC=3 300×5×1 071×（25-0）/1 000/90=4 908.75 W （7）

在研究如今市場上比較普遍的PTC電加熱功率之后，決定選用5 kW的類型。

在經(jīng)過計(jì)算之后，本文得出了以該案例車輛為基礎(chǔ)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)名稱及數(shù)值，表2所示為其具體內(nèi)容。

新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的主要目標(biāo)為電池箱的進(jìn)水溫度，依托于控制導(dǎo)熱介質(zhì)溫度，使之長時(shí)間維持在穩(wěn)定不變狀態(tài)的方式，能夠使得輸入到電池箱中的導(dǎo)熱介質(zhì)本身的溫度保持在最良好的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電池箱能夠始終穩(wěn)定在最適宜工作溫度的目的。一方面，這能夠達(dá)成電池箱充電和放電安全性和穩(wěn)定性的提升，另一方面，電池的循環(huán)壽命也能夠延長[4]。

如今，新能源汽車動(dòng)力電池管理技術(shù)正在經(jīng)歷不斷向前邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期，市場上存在的相關(guān)產(chǎn)品大多是將自然風(fēng)進(jìn)行抽取之后使之通過散熱器進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱介質(zhì)散熱的目的，從本質(zhì)上來看，這種散熱方式在實(shí)際應(yīng)用期間受到一定的制約，這種制約主要表現(xiàn)在散熱過程受到來源于車輛周圍環(huán)境溫度的較大影響。此外，加熱電池系統(tǒng)的方法大多是通過將加熱膜粘貼到電芯表面的形式，不過就具體情況來看，加熱膜這種材料實(shí)際進(jìn)行加熱時(shí)具備的效率無法滿足相應(yīng)的需求，并且這種加熱方式在實(shí)際應(yīng)用期間出現(xiàn)故障和觸電風(fēng)險(xiǎn)的可能性均較大。

在此案例汽車中，借助空調(diào)制冷系統(tǒng)使導(dǎo)熱介質(zhì)溫度逐漸降低是其動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)最主要的制冷方式，這種制冷方式在實(shí)際應(yīng)用過程中受到來源于車輛周圍環(huán)境溫度條件的影響程度較小。與此同時(shí)，在加熱電池系統(tǒng)時(shí)，所使用的解熱模塊是由PTC充當(dāng)，能夠?qū)?dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制性加熱。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中還包括相應(yīng)的控制系統(tǒng)，借助將水溫傳感器在循環(huán)水路中進(jìn)行合理設(shè)置的形式，并通過智能化控制，能夠?qū)?dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)循環(huán)水路中的水溫控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，如此一來，新能源汽車動(dòng)力電池的工作溫度就能夠處在更加高效的狀態(tài)。

本文所研究的空調(diào)制冷系統(tǒng)是以在一個(gè)箱體內(nèi)部集成安裝的形式完成相應(yīng)的安裝，有著較高的集成度，這也意味著在不斷對新能源汽車整體空間造成擠壓、侵占和影響的情況下，空調(diào)制冷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)便捷的安裝、搭載與應(yīng)用，并且有著良好的可維護(hù)性。

6 結(jié)語

作為新能源汽車的根本動(dòng)力來源，動(dòng)力電池的質(zhì)量與汽車整體性能息息相關(guān)，因此，探究動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化有著重要意義。本文所研究的新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是基于當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)相對成熟的空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，對該技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)之后，所生成的一種可靠性較高、成熟性較高且性能穩(wěn)定的熱管理系統(tǒng)，在多種新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中均可以實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用。

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作者簡介：

張凱，男，1976年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌囇邪l(fā)、三電熱管理技術(shù)開發(fā)及集成。