新能源汽車動力電池組均衡充電策略及熱失控預(yù)警機制研究

摘要：新能源汽車動力電池組作為關(guān)鍵能源儲備部件，其工作性能和安全性對整車性能至關(guān)重要，研究電池組均衡充電策略和熱失控預(yù)警機制意義重大。首先闡述了電池組充電原理和熱失控風(fēng)險，分析了導(dǎo)致單體電池不均衡和熱量積累的主要原因，然后針對不均衡問題提出了一種新型充放電均衡控制策略，并建立了新能源汽車動力電池組熱失控預(yù)警機制，為新能源汽車電池組設(shè)計和熱管理系統(tǒng)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：動力電池組；均衡充電；熱失控預(yù)警；控制策略

中圖分類號：U469.7" 收稿日期：2024-12-06

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502026

1 前言

隨著能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，新能源汽車作為綠色出行的重要方式受到高度重視，其核心部件動力電池組的性能和安全將直接影響整車的續(xù)駛里程、能耗水平和使用壽命[1]。動力電池組通常由成百上千個單體電池串并聯(lián)組成，電池在長期使用過程中由于材料和工藝差異等原因會導(dǎo)致單體電池之間出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，嚴(yán)重時將影響整個電池組的工作性能。電池在充放電過程中伴隨著熱量的釋放和積累，一旦溫度超過安全臨界值就可能引發(fā)熱失控。

因此，針對電池組均衡充電控制策略及熱失控風(fēng)險預(yù)警機制的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值，可為提高新能源汽車動力系統(tǒng)整體性能和使用安全奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 新能源汽車動力電池組充電工作機理及熱失控風(fēng)險

動力電池組的核心是由多個單體電池串并聯(lián)而成，每個單體電池本質(zhì)上是一種電化學(xué)儲能裝置，在充電過程中，通過外接電源將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并存儲在電池內(nèi)部[2]。具體來說，電池正負極各自浸沒在電解液中，它們之間存在電位差。當(dāng)外接電源時，正極將吸引電解液中的陰離子，發(fā)生還原反應(yīng)，負極則吸引陽離子，發(fā)生氧化反應(yīng)。

通過上述兩個半反應(yīng)，電池正負極就分別富集和損失電子，從而形成電荷存儲，即化學(xué)能的形式，同時這個過程還涉及離子在電解液中的遷移和擴散，以維持電化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進行。在電池組層面，為了實現(xiàn)能量密度最大化和電壓匹配要求，需要將大量單體電池并聯(lián)成簇，再把多個簇串聯(lián)組成整個動力電池組。由于存在工藝差異和使用環(huán)境差異，單體電池之間很容易出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，進而導(dǎo)致總電壓分布不均，影響整組充電效率。因此，需要制定恰當(dāng)?shù)木獠呗詫误w進行調(diào)節(jié)。

電池在充放電循環(huán)過程中，內(nèi)部會伴隨著熱量的釋放和積累，這是由于電化學(xué)反應(yīng)的不可逆性和電阻效應(yīng)所致。當(dāng)電池溫度超過一定閾值后，就可能引發(fā)一系列熱失控風(fēng)險。高溫會加速電解液分解，產(chǎn)生可燃氣體如氫氣，導(dǎo)致電池膨脹破裂[3]。高溫加速正負極材料的分解，釋放出熱量，形成熱失控反饋回路，高溫還加劇了電極材料與電解液之間的副反應(yīng)，產(chǎn)生更多熱量，同時副反應(yīng)會生成導(dǎo)電微粒，增大內(nèi)部短路風(fēng)險。一旦發(fā)生內(nèi)部短路，將造成劇烈發(fā)熱，使電池組溫度急劇升高，很快失去控制。

3 新能源汽車動力電池組均衡充電策略

正如上文所述，由于單體電池在制造、使用環(huán)境和歷史等方面的差異，整個電池組內(nèi)部很容易出現(xiàn)電量分布不均衡的現(xiàn)象，進而降低整組的充放電效率。因此，針對電池組充電過程中的不均衡問題，制定恰當(dāng)?shù)木饪刂撇呗跃惋@得尤為重要。

31 混合均衡策略

在新能源汽車的動力電池管理系統(tǒng)中，均衡充電策略是保證電池組健康、延長其使用壽命并提升整車性能的關(guān)鍵技術(shù)之一?；旌暇獠呗?，作為動力電池組均衡技術(shù)的一種先進形式，有效地結(jié)合了被動均衡和主動均衡技術(shù)的優(yōu)勢，以達到更高效和經(jīng)濟的電池管理效果。

混合均衡策略在實施中，充分利用主動均衡技術(shù)的高效率和被動均衡技術(shù)的低成本和簡易性的特點。主動均衡技術(shù)通過電能轉(zhuǎn)移的方法，如使用電感、變壓器或電容來調(diào)整電池單體之間的能量差異，這種方式雖然可以快速均衡電池組的電壓，但成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而被動均衡通常通過在單體電池上并聯(lián)一個放電電阻來消耗多余的電能，以達到均衡的目的，這種方式成本低，但放電過程中能量以熱的形式損失，效率較低[4]?；旌暇獠呗酝ㄟ^智能控制系統(tǒng)，在電池充電過程中根據(jù)電池組狀態(tài)和充電條件智能選擇使用主動均衡或被動均衡，或者兩者結(jié)合使用。例如，在快速充電階段或電池組電壓差異較大時優(yōu)先使用主動均衡技術(shù)，以快速減少電壓差異，當(dāng)電壓平衡接近目標(biāo)狀態(tài)時則轉(zhuǎn)為被動均衡，以降低能耗和成本。

混合均衡策略的核心在于其背后的智能控制系統(tǒng)和優(yōu)化算法，這一策略的實施需要實時監(jiān)控和分析電池各單體的電壓、溫度和充電狀態(tài)，然后通過復(fù)雜的算法來決定采取的均衡方式，這種智能控制提高了均衡效率，能有效預(yù)防因均衡不當(dāng)導(dǎo)致的電池性能衰減和壽命縮短。優(yōu)化算法可以基于電池的歷史數(shù)據(jù)和充電模式，預(yù)測電池未來的使用狀態(tài)和充電需求，從而動態(tài)調(diào)整均衡策略，根據(jù)電池的實時數(shù)據(jù)來調(diào)整充電電流和電壓，以最大限度地減少充電時間和能量損耗。

混合均衡策略通過有效地結(jié)合主動和被動均衡技術(shù)，并輔以高級的控制算法，優(yōu)化了電池充電過程中的能量分配和利用率，極大地提高了電池組的整體性能和壽命，這種策略的靈活性和智能化程度，使其能夠適應(yīng)不斷變化的充電條件和電池狀態(tài)，為新能源汽車的電池管理提供了一種高效、經(jīng)濟且可靠的解決方案。

32硬件均衡電路設(shè)計

新能源汽車的動力電池組均衡充電策略中，硬件均衡電路設(shè)計可以確保電池組能夠有效、安全地進行充電和放電，這種設(shè)計通常涉及精密的電子元件與復(fù)雜的電路布局，其主要目的是確保電池組中的每個單體電池都能達到相同的電壓水平，從而最大化整個電池組的性能和壽命。

硬件均衡電路主要分為被動均衡和主動均衡兩種方式。被動均衡電路設(shè)計簡單，成本較低，通常由放電電阻和控制晶體管組成，當(dāng)電池單體電壓高于設(shè)定閾值時，控制晶體管導(dǎo)通，使得高電壓電池通過電阻放電，電能以熱的形式耗散，從而降低該電池的電壓，盡管此方法能量損耗較大，但在成本和實施的復(fù)雜度方面具有優(yōu)勢。相比之下，主動均衡電路則更為復(fù)雜和高效，它通過電能轉(zhuǎn)移的方式（如使用電感、變壓器或電容），將高電壓電池的多余能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池上，這種方式成本和設(shè)計難度更高，但可以實現(xiàn)能量的再利用，減少能量浪費，提高整體電池組的效率。為了實現(xiàn)最優(yōu)的均衡效果，硬件設(shè)計需要精確計算電路參數(shù)，如電阻值、電感規(guī)格、開關(guān)頻率等，并采用適當(dāng)?shù)碾娮釉猿惺茴A(yù)期的電壓和電流。

在硬件均衡電路的設(shè)計中，集成和控制策略的實施同樣至關(guān)重要，包括電路的物理布局、電子元件的選擇以及控制邏輯的實現(xiàn)。現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)（BMS）采用微控制器或?qū)Ｓ眉呻娐罚ˋSIC）來精確控制均衡電路的工作，設(shè)計中必須考慮到電路的熱管理、電磁兼容性（EMC）和長期可靠性。例如，電路板的布局應(yīng)確保敏感元件遠離高溫區(qū)域，并采用適當(dāng)?shù)纳岽胧?。此外，均衡電路需要與BMS軟件緊密集成，軟件通過實時監(jiān)控各單體電池的狀態(tài)（如電壓、溫度等），動態(tài)調(diào)整均衡動作，確保電池組的最優(yōu)工作狀態(tài)。

通過上述兩點的實施，硬件均衡電路設(shè)計能夠有效地維持電池組中各單體電池的電壓一致性，提高整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，這種設(shè)計的成功實施，需要電子工程師具備深厚的電路設(shè)計知識和實踐經(jīng)驗，同時也需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新來應(yīng)對新能源汽車電池技術(shù)的快速發(fā)展和日益嚴(yán)格的性能要求。

4 建立新能源汽車動力電池組熱失控預(yù)警機制

除了要解決電池組不均衡問題之外，預(yù)防電池組發(fā)生熱失控也是動力電池安全管理的另一個重中之重，電池在充放電過程中會不可避免地伴隨著熱量的釋放和積累，如果溫度超過閾值就可能引發(fā)一系列熱失控風(fēng)險，如電解液分解產(chǎn)生可燃氣體、正負極材料分解加劇熱源、內(nèi)部短路導(dǎo)致劇烈放熱等，這種失控狀態(tài)一旦發(fā)生且沒有及時撲救，極易蔓延至整個電池組，造成災(zāi)難性后果。

41 建立電池組熱模型

建立新能源汽車動力電池組的熱模型是對電池在不同操作條件下的熱行為進行預(yù)測與分析，以便及時預(yù)警可能的熱失控情況，這一過程涉及復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)的建模，以及實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與模擬。有效的熱模型可以幫助電池管理系統(tǒng)（BMS）采取預(yù)防措施，避免電池過熱甚至火災(zāi)事故的發(fā)生。

建立熱模型的第一步是準(zhǔn)確描述電池的熱物理特性，包括熱容、熱導(dǎo)率等，這些參數(shù)對于模擬電池在充放電過程中的溫度變化至關(guān)重要。通常，這些參數(shù)的確定需要通過實驗室測試獲取，測試包括加熱實驗、恒溫實驗等，研究人員通過這些實驗可以測量電池在不同操作條件下的熱響應(yīng)，這一階段還需考慮電池老化對其熱物理特性的影響，老化電池的熱導(dǎo)率和熱容可能會發(fā)生變化，這需要通過長期的循環(huán)測試來確定，具體的參數(shù)化可以參考表1。

一旦電池的熱物理特性被準(zhǔn)確量化，下一步是構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來描述電池在實際使用中的熱行為，這個模型需要包括電池內(nèi)部的熱源產(chǎn)生機制，如焦耳熱、化學(xué)反應(yīng)熱等，以及熱量在電池內(nèi)部和電池組中的傳遞過程。模型的建立通常采用有限元分析（FEA）或計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)，以模擬電池在不同的充放電速率、環(huán)境溫度和電池配置下的溫度分布，這種模型的建立需要軟件工具如ANSYS、COMSOL Multiphysics等專業(yè)仿真軟件的支持，這些模型需與實時監(jiān)測系統(tǒng)集成，實時輸入實際操作數(shù)據(jù)，如電流、電壓、環(huán)境溫度等，以預(yù)測電池的溫度變化和可能的熱失控風(fēng)險，如表2所示。

通過這兩個步驟的細致工作，可以建立一個反映電池實際熱行為的精確模型，為電池管理系統(tǒng)提供重要的數(shù)據(jù)支持，使其能夠?qū)崟r監(jiān)控電池的熱狀態(tài)并采取措施預(yù)防熱失控，延長電池的使用壽命。

42 設(shè)計熱量預(yù)測算法

在新能源汽車動力電池組的熱失控預(yù)警機制中，設(shè)計熱量預(yù)測算法旨在基于實時數(shù)據(jù)和歷史行為分析，預(yù)測電池在未來操作條件下的熱狀態(tài)，從而在達到熱失控臨界點之前采取預(yù)防措施。

電池在運行過程中的熱量主要來源于內(nèi)部的焦耳熱和化學(xué)反應(yīng)熱，焦耳熱可以通過實時監(jiān)測電池的電流和電阻來預(yù)測，而化學(xué)反應(yīng)熱則需要根據(jù)電池的充放電狀態(tài)、溫度以及電池化學(xué)性質(zhì)來估算。熱量生成的總預(yù)測可以表示為以下公式：

式中，[k]為熱導(dǎo)率；[ρ]為密度；[cp]和[cv]分別為定壓和定容比熱容；[V]為電池體積。這個方程考慮了由于內(nèi)部熱源和熱傳導(dǎo)造成的溫度變化，可以通過數(shù)值方法如有限差分法進行求解。對于電池組的整體熱行為，研究人員還需要考慮電池間的熱影響和外部散熱條件，這通常需要結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和仿真分析，使用計算流體動力學(xué)（CFD）工具來優(yōu)化電池組的布局和散熱設(shè)計，確保電池在高負載或惡劣環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作。

通過這兩個步驟，熱量預(yù)測算法能夠?qū)崟r監(jiān)控電池的熱生成和熱傳遞情況，為電池管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，從而有效預(yù)防和管理電池可能的熱失控風(fēng)險。這種算法的設(shè)計在提高電池安全性的同時，也有助于提升電池的使用效率和壽命。

5 結(jié)語

本文闡述了新能源汽車動力電池組均衡充電策略及熱失控預(yù)警機制的研究內(nèi)容。首先介紹了電池組的充電原理和熱失控風(fēng)險，分析了導(dǎo)致單體電池不均衡和熱量積累的主要原因，提出了一種混合均衡策略，結(jié)合主動和被動均衡技術(shù)，并輔以智能控制算法，在提高充電效率的同時降低了成本。隨后在硬件電路設(shè)計方面，對被動均衡和主動均衡電路進行了詳細闡述，強調(diào)了硬件布局及與BMS軟件的集成對系統(tǒng)可靠性的重要性。

針對熱失控風(fēng)險，本文建立了電池組熱模型，通過精確描述電池的熱物理特性、內(nèi)部熱源產(chǎn)生及熱量傳遞機制，為預(yù)測分析奠定基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了熱量預(yù)測算法，有助于電池管理系統(tǒng)實時監(jiān)控，提前預(yù)警并采取措施防范熱失控風(fēng)險。本文的研究成果為電池組設(shè)計和熱管理系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，對于提升新能源汽車的續(xù)航里程、安全性能和使用壽命具有重要意義。

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作者簡介：

馮培家，男，1995年生，助教，研究方向為新能源汽車動力與檢測維修。