新能源汽車動(dòng)力電池組熱失控檢測(cè)與熱管理策略探析

摘要：新能源汽車動(dòng)力電池組直接決定了整車的續(xù)航里程、加速性能和使用壽命等核心指標(biāo)，只有在電池組方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步，構(gòu)建高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的電池系統(tǒng)，才能真正提升新能源汽車的整車性能和用戶體驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)燃油車的全面競(jìng)爭(zhēng)，從而推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)交通發(fā)展。圍繞新能源汽車動(dòng)力電池組熱失控檢測(cè)和熱管理策略展開研究，闡述了動(dòng)力電池組熱管理的重要性，分析新能源汽車的動(dòng)力電池組熱失控檢測(cè)路徑，并論述了新能源汽車動(dòng)力電池組熱管理策略。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池組；熱失控檢測(cè)；熱管理策略

中圖分類號(hào)：U469.7 收稿日期：2024-10-30

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.032

1 前言

新能源汽車因其清潔環(huán)保、能源高效利用等優(yōu)勢(shì)成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路，而動(dòng)力電池作為新能源汽車的“心臟”，其安全性、一致性和使用壽命直接決定了整車的性能表現(xiàn)[1]。動(dòng)力電池在使用過程中極易出現(xiàn)熱量堆積、溫度異常等熱失控問題，這不僅會(huì)加劇電池衰化、縮短使用壽命，還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，對(duì)動(dòng)力電池組熱失控狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)，并基于檢測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)的熱管理策略，對(duì)確保新能源汽車的安全運(yùn)行和提升整車性能至關(guān)重要。

2 新能源汽車動(dòng)力電池組熱管理的重要性

新能源汽車的動(dòng)力電池組是其核心組件之一，其性能直接影響汽車的續(xù)航里程、安全性及整體壽命。因此，動(dòng)力電池組的熱管理系統(tǒng)（Thermal Management System，TMS）顯得尤為重要。

動(dòng)力電池在使用過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，如果熱量不能有效控制，電池溫度過高將會(huì)加速電池老化，降低電池的能量輸出效率和功率輸出，從而直接影響汽車的續(xù)航里程。電池在最佳溫度范圍內(nèi)（通常為20～40 °C）可以維持最佳的化學(xué)反應(yīng)速率，確保電能的最大利用和最高輸出[2]。熱管理系統(tǒng)通過監(jiān)控電池溫度并通過冷卻或加熱措施調(diào)節(jié)溫度，可以有效地保持電池組在最佳工作溫度區(qū)間，從而確保電池的高效運(yùn)作，延長(zhǎng)車輛的實(shí)際行駛里程。例如，在寒冷環(huán)境下，熱管理系統(tǒng)可以預(yù)熱電池組，避免電池因溫度過低而導(dǎo)致的啟動(dòng)困難或續(xù)航能力下降；而在高溫環(huán)境下，系統(tǒng)則通過冷卻措施防止電池過熱，確保車輛的性能穩(wěn)定。

動(dòng)力電池的安全性是新能源汽車最為關(guān)注的問題之一。電池組在過熱情況下會(huì)發(fā)生熱失控，這是電池安全事故中最嚴(yán)重的一種情況，有效的熱管理不僅可以預(yù)防因溫度過高引起的熱失控問題，還可以防止由于溫度不均造成的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，這種損傷可能會(huì)加速電池老化，減少電池的整體壽命[3]。電池在適宜的溫度條件下運(yùn)行，其化學(xué)反應(yīng)更加穩(wěn)定，電池衰減速度更慢，從而顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命。熱管理系統(tǒng)通過精確控制每個(gè)電池單元的溫度，確保所有電池單元均勻受熱，避免部分單元過熱或過冷，從而在全電池組層面上實(shí)現(xiàn)溫度的均衡，提高了電池組的整體可靠性和穩(wěn)定性。doV5yySRKYcmh8DbMTbvfA==

3 新能源汽車的動(dòng)力電池組熱失控檢測(cè)路徑

3.1 多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警

新能源汽車的動(dòng)力電池組在運(yùn)行過程中可能會(huì)由于多種原因發(fā)生熱失控，這對(duì)車輛的安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組的多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警是提高電池安全性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

動(dòng)力電池組的熱失控通常是由多種因素共同作用的結(jié)果，包括電池的溫度、電壓、電流以及電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)等，為了全面掌握電池組的運(yùn)行狀態(tài)，研究人員需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。首先，溫度是影響電池性能和安全的關(guān)鍵指標(biāo)，通過在電池單元中部署溫度傳感器，研究人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到每個(gè)電池單元的溫度變化，一旦某個(gè)單元的溫度超過預(yù)設(shè)的安全閾值，系統(tǒng)便會(huì)立即發(fā)出警報(bào)[4]。其次，電壓和電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也同樣重要，異常的電壓或電流變化是電池性能下降或熱失控的前兆。例如，如果電池單元出現(xiàn)短路或充電過程中電流過大，系統(tǒng)可以通過電壓和電流的異常波動(dòng)來(lái)及時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行處理?，F(xiàn)代電池管理系統(tǒng)（BMS）集成了高精度的傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)電池的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。

在多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立有效的預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于提早識(shí)別和預(yù)防電池?zé)崾Э刂陵P(guān)重要。這一系統(tǒng)利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)收集的電池參數(shù)數(shù)據(jù)，通過算法模型進(jìn)行深入分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池?zé)崾Э氐念A(yù)測(cè)。這些算法可以識(shí)別出電池參數(shù)的微小變化，甚至在電池表現(xiàn)出明顯異常行為之前，就能夠預(yù)測(cè)出潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

例如，系統(tǒng)可以整合溫度、電壓、電流和內(nèi)阻等數(shù)據(jù)，通過歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的預(yù)測(cè)模型來(lái)評(píng)估電池的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，一旦檢測(cè)到潛在的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)警機(jī)制，向駕駛員或維護(hù)人員發(fā)出警報(bào)，并可以根據(jù)情況采取相應(yīng)的措施，如降低電池充電速率、調(diào)整溫度管理策略或者在必要時(shí)進(jìn)行電池組的隔離和停機(jī)處理。智能預(yù)警系統(tǒng)可以最大程度地減少熱失控帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，還能有效延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高車輛的運(yùn)行安全性。

3.2 氣體分析與早期預(yù)測(cè)

由于內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性和外界環(huán)境的影響，新能源汽車動(dòng)力電池組會(huì)出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，這種情況一旦發(fā)生，會(huì)迅速影響電池組的整體安全。因此，氣體分析與早期預(yù)測(cè)作為一種有效的檢測(cè)手段，對(duì)于防止熱失控具有重要意義。

在電池?zé)崾Э氐某跗?，電池?nèi)部會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生特定的氣體，如氫氣（H?）、二氧化碳（CO?）、一氧化碳（CO）等，研究人員通過對(duì)這些氣體的種類和濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效地識(shí)別和預(yù)測(cè)電池組是否存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)手段包括安裝高靈敏度的氣體傳感器在電池模組或包內(nèi)部，這些傳感器能夠在電池發(fā)生異常反應(yīng)產(chǎn)生微量氣體時(shí)迅速檢測(cè)并反饋信息。例如，氫氣是在電池過熱時(shí)由于電解液分解較早釋放的氣體，對(duì)其濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以作為熱失控的早期預(yù)警信號(hào)。

僅僅監(jiān)測(cè)氣體的存在并不足以提供所有必要的安全保障，研究人員必須通過智能化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)解析這些數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建模型來(lái)預(yù)測(cè)電池的熱失控行為，這些預(yù)測(cè)模型通過分析歷史氣體分析數(shù)據(jù)與電池?zé)崾Э厥录南嚓P(guān)性，訓(xùn)練出能夠預(yù)測(cè)未來(lái)熱失控可能性的算法。如此一來(lái)，系統(tǒng)不僅能在電池開始釋放危險(xiǎn)氣體時(shí)發(fā)出警報(bào)，還能在電池?zé)崾Э匕l(fā)生前的早期階段就給出預(yù)警，從而允許采取措施避免事故的發(fā)生。這種預(yù)測(cè)能力極大提高了電池管理系統(tǒng)的前瞻性和安全性。表1展示不同氣體及其與電池?zé)崾Э叵嚓P(guān)性的表格，包括氣體類型、可能釋放的原因及其作為預(yù)警信號(hào)的有效性評(píng)估。

通過這種詳細(xì)的氣體監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合智能預(yù)測(cè)技術(shù)，新能源汽車的動(dòng)力電池組可以在熱失控發(fā)生前得到有效的預(yù)警，從而顯著提升車輛安全性，這種技術(shù)的進(jìn)步為BMS提供了一個(gè)更為全面和高效的安全保障功能，確保了電動(dòng)車在日趨嚴(yán)峻的安全要求面前能夠穩(wěn)妥運(yùn)行。

4 新能源汽車動(dòng)力電池組熱管理策略

4.1 分層次主動(dòng)熱管理策略

新能源汽車動(dòng)力電池的安全與效率很大程度上依賴于其熱管理系統(tǒng)的效能，在電池管理中，分層次主動(dòng)熱管理策略是一種先進(jìn)的方法，旨在通過多級(jí)控制手段有效控制電池組的溫度，確保電池在最佳工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，從而提高其性能、延長(zhǎng)使用壽命并降低安全風(fēng)險(xiǎn)。表2所示為管理策略的具體應(yīng)用和效果。

電池組由多個(gè)電池模塊組成，每個(gè)模塊的熱特性可能因?yàn)槲恢?、使用條件等多種因素而異。模塊級(jí)主動(dòng)熱管理通過在每個(gè)電池模塊上安裝獨(dú)立的溫控設(shè)備（如風(fēng)扇、熱管、電加熱器或液冷裝置）來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制，這種控制策略基于模塊內(nèi)部的溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保每個(gè)模塊都能在其最佳溫度范圍內(nèi)工作。例如，如果某個(gè)模塊的溫度超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)冷卻措施，如增加冷卻液流量或啟動(dòng)風(fēng)扇，以快速將溫度調(diào)整到安全范圍。

在系統(tǒng)級(jí)別，主動(dòng)熱管理策略涉及整個(gè)電池組的熱狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)控，其不僅包括對(duì)所有模塊熱狀態(tài)的集中監(jiān)測(cè)，還包括對(duì)外部熱管理設(shè)施的控制，如空調(diào)系統(tǒng)的集成或車輛內(nèi)部的熱交換器。系統(tǒng)級(jí)熱管理策略通過算法優(yōu)化，根據(jù)電池的充放電狀態(tài)、車輛的運(yùn)行環(huán)境和預(yù)測(cè)的使用模式來(lái)調(diào)整熱管理系統(tǒng)的工作，這樣的策略能夠優(yōu)化能耗，提升電池的整體性能和安全性，同時(shí)減少維護(hù)需求，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

分層次的主動(dòng)熱管理策略可以更加有效地應(yīng)對(duì)各種溫度挑戰(zhàn)，確保在各種環(huán)境條件下都能保持最佳的性能表現(xiàn)，這種策略的實(shí)施也有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)更細(xì)致和個(gè)性化的管理，從而在保障電池安全的同時(shí)，也極大地提升了電池的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

4.2 基于模型預(yù)測(cè)控制的精細(xì)化熱管理

基于模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control， MPC）的精細(xì)化熱管理策略是一種先進(jìn)的控制策略，利用實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型來(lái)優(yōu)化電池組的溫度控制，精細(xì)化熱管理的第一步是建立一個(gè)反映電池組熱行為的精確動(dòng)力學(xué)模型，該模型考慮到電池在充放電過程中的熱生成、環(huán)境溫度變化、熱損失以及冷卻系統(tǒng)的影響，研究人員通過對(duì)電池內(nèi)部熱源和熱傳遞機(jī)制的深入理解，可以建立如下的熱平衡方程：

式中，C為電池的熱容；T為電池溫度；Q為因電池放電產(chǎn)生的熱量；Q為電池到環(huán)境的熱損失；而Q為冷卻系統(tǒng)去除的熱量。這一模型需要根據(jù)實(shí)際電池和使用環(huán)境的特性進(jìn)行定制和校準(zhǔn)。

在建立了精確的熱動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，研究人員需須應(yīng)用模型預(yù)測(cè)控制策略來(lái)優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的響應(yīng)，MPC基于當(dāng)前電池溫度、預(yù)測(cè)的未來(lái)使用條件（如充放電周期、環(huán)境溫度變化等）以及熱模型，預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的電池溫度變化。然后，它計(jì)算出最優(yōu)的冷卻策略來(lái)最小化溫度偏差、節(jié)能并延長(zhǎng)電池壽命?？刂颇繕?biāo)可以表示為以下優(yōu)化問題：

式中，T為設(shè)定的目標(biāo)溫度；u為控制輸入（如冷卻流量或風(fēng)扇速度）；T為在時(shí)間t的電池溫度；λ和λ為權(quán)衡溫度控制與能量消耗的調(diào)節(jié)參數(shù)。通過解決這個(gè)優(yōu)化問題，MPC能夠連續(xù)調(diào)整冷卻系統(tǒng)的輸出，以適應(yīng)電池的實(shí)時(shí)需求和外部環(huán)境變化。

基于模型預(yù)測(cè)控制的精細(xì)化熱管理策略提高了電池組的熱效率，也通過精確控制電池的工作溫度，顯著提升了電池的安全性和經(jīng)濟(jì)性，該策略的實(shí)施有助于實(shí)現(xiàn)更為智能的電池管理系統(tǒng)，能夠預(yù)測(cè)并應(yīng)對(duì)復(fù)雜的使用場(chǎng)景，使新能源汽車的動(dòng)力電池組在各種操作條件下都能維持在最佳狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車動(dòng)力電池組的熱失控檢測(cè)與熱管理策略是確保新能源汽車高效安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。通過建立多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警、氣體分析與早期預(yù)測(cè)等熱失控檢測(cè)路徑，研究人員可以及時(shí)全面掌握電池組熱態(tài)勢(shì)變化，預(yù)判熱失控風(fēng)險(xiǎn)。基于此，采取分層次主動(dòng)熱管理、基于模型預(yù)測(cè)控制的精細(xì)化熱管理等策略，不僅可以防患于未然避免熱失控風(fēng)險(xiǎn)，而且使電池組工作在最佳溫度范圍，充分發(fā)揮性能潛力、延長(zhǎng)使用壽命。

這一系列先進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，為新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，對(duì)推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)交通發(fā)展具有重要意義，研究人員需要持續(xù)加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力電池組熱管理領(lǐng)域的研究，不斷推陳出新，為新能源汽車的綠色出行貢獻(xiàn)更多創(chuàng)新力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾祥兵，謝堃，張偉，等.新型動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)及性能研究[J].汽車工程，2022，44（4）：476-481.

[2]孫衛(wèi)鵬，金禮芬，羊松青.新能源汽車大功率充電對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的影響[J].汽車與新動(dòng)力，2024，7（4）：28-31.

[3]范晨暉，尹可人.新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].汽車測(cè)試報(bào)告，2024（9）：44-46.

[4]徐文文，王彬.新能源汽車電池?zé)峁芾砜刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)分析[J].時(shí)代汽車，2024（12）：122-124.

作者簡(jiǎn)介：

周鑫，男，1986年生，講師，研究方向?yàn)槠嚰夹g(shù)。