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基于混动汽车进行动力电池热管理系统分析

2020-04-27 337 上传者：管理员

摘要：相较于传统汽车，新能源汽车在能源消耗及环保方面更具优势，加上其对化石燃料的需求很小，成为市场发展的风向标。目前一些新能源技术成为我国混动新能源汽车行业的研究焦点，在动力电池和控制器以及充电桩方面有了重大进展，掌握了很多关键技术。动力电池关系到了混动新能源汽车的发展，而力电池的主要性能与其温度密切相关，因此要采用合理的热管理系统，从而使整车动力性及经济性得到有效提升。

关键词：
动力电池
混动汽车
热特性
热管理系统
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当前市场上的主要新能源汽车仍然是混合动力汽车，它的主要优点是节能环保，而且行驶距离也比较长。混合动力汽车主要由动力电池、控制器、发电机-电动机组等多种部件组成，每个组成部件只有互相协调工作，才可以较好发挥整车的性能。混动汽车的技术基本已经很成熟了，且已经大量投入到商业使用中，可是汽车电池的安全性能和寿命问题还是存在的，这就使得混动新能源汽车还存在一定的安全隐患。这些问题都和动力电池的热特性密切相关，因此，对动力电池的热特性进行研究是非常具有意义的。传统的汽车通常使用的是化石燃料，而化石燃料的使用会增加对环境的污染。各国对汽车使用的相关规范越来越严格，各个汽车生产商必须按照规章来进行汽车制造，为了满足这些规章要求和节能环保的双重目的，新能源混动汽车就出现了。我国也利用好了这个机会，通过一些汽车攻关项目，掌握了很多新能源汽车的核心技术，为了在世界新能源汽车市场具有一定的竞争力，很多国家都研制出了多种新能源汽车，其中混动汽车又是其中的重要部分。

1、混动汽车的类型

混合动力汽车指的是由两种不同的动力源对汽车产生驱动作用，进行驱动的汽车，它是传统汽车向纯电动汽车过度的一种汽车类型。虽然混动汽车比较节能环保，但是或多或少还有一点尾气排放，对环境还有一定的影响。纯电动汽车指的是驱动全部由可充电电池（如铅酸电池、锂离子电池、燃料电池等）来进行驱动的汽车，不存在污染气体的排放，因此纯电动车也是未来汽车的发展大方向。对混动汽车按照驱动方式可以分成串联式，并联式以及混联式混动汽车；根据不同能源的比例关系可以分为微混合动力汽车、轻混合动力汽车、中混合动力汽车和强混合动力汽车；根据汽车用电池包电量的来源还可分成荷电消耗型与荷电维持型混合动力汽车。这几类基本概括了目前市场上的混合动力汽车种类[1]。

2、电池热管理的现状

通常来说，温度对动力电池的性能影响比较大，温度较低的时候，电池内阻较大，容量也变小，充电和放电的能力也变差；在温度较高的时候，一些电池原料会发生化学反应，比如燃烧或者爆炸。如果电池包里面的电池每个点的温度分布不均匀，那么单体之间的差异性也比较大，这就会影响到电池包的性能，而且对电池的寿命也会产生很大的影响。因此，对电池包的热管理系统进行研究，是非常具有现实意义的。

在国内，很多锂电池热分析都不会对电池在使用过程中的温度场进行分析，一般都只分析锂电池的高温或者低温时的稳定性能，不知道电池为何会温度升高。一般来说，动力电池的运行环境都很差，常常处于一个大电流的充放电状态，如果不把电池SOC以及充放电电流结合起来对电池的温度场分布进行分析，那么就不会得到电池组的正确温度分布。所以，对这些方面的研究还需要进一步进行深入。而国外对这些方面的分析相对就非常多了，而且开始的时间也比较早。国外通常研究的是锂电池和镍氢电池比较多，其研究方法也大多类似。研究锂电池一般按照几个模型进行分析，分别是电化学-热耦合模型、热滥用模型和电-热耦合模型，而锂电池的热特性分析通常使用热滥用模型。这些研究分析模型都对应着不同的分析范围，不同的研究要求和研究条件就要选用不同的分析模型，这些模型的分析结果也不太相同，主要表现在分析结果的精度和可靠度上。混合动力汽车为提高能源利用率，可依照运行的策略来设计对应的能量回收，如果电池处于一个大电流充电的状态下，很可能会发生过充现象。这时，风扇如果能带走大部分热量或者这种状态持续的时间不长，电池包中的电池温度不高，那么过充只有电解液的分解，这个时候电池还是安全的。可是，电池的散热性如果不好的话，那么金属氧化物的正极就会发生脱锂现象，化学活性变强，电池温度继续升高，如果持续的时间过长，就会使电池发生热失控。

3、影响电池组温度的因子

就动力锂离子电池而言，其具有工作电压较高，充放电次数多且寿命长，以及无污染等优点，因此被越来越多的使用在新能源汽车上。但是新能源汽车的使用条件比较复杂多变，而且电池的使用次数非常多，还经常处于大电流放电的状态，这就导致其温度变化幅度很大，严重影响了其安全性能。近年来，锂电池的热安全性也受到了人们的热切关注，其工作的时候温度会发生变化，而且还会发生化学反应。电池的正负极材料以及电解液等都会由不同程度的反应，一般都和温度有关，一般负极材料和电解液的反应温度相对较低，在40-72度的时候就会有轻微的放热，在80-119度就会放出大量的热，还可能导致保护膜分解，使电池的结构发生破坏。正极的材料发生反应的温度相对就高一点，在温度达到172度的时候才开始出现分解情况，在256度是发热最严重。隔膜是正负极之间的分离材料，它的安全性和热稳定性非常重要，如果隔膜的遮断温度低，就阻止锂离子通过，影响了电池的性能，如果遮断温度高，就不能抑制住电池产热的危险。隔膜的破裂温度要大于遮断温度，在隔膜破裂或者融化的时候，就会使得正负极直接接触，发生短路情况，如果发生这种情况，就很容易发生热失控[2]。

4、建立动力电池的热模型

为了更好的分析影响动力电池热性能的因素，可以建立热模型进行分析，对模型做出如下假设：淤忽略对流换热；于忽略电池内部辐射散热；盂假设热导率相同；榆假设比热容和热导率不受温度和SOC值影响。通过查阅文献得到相关未知量的公式，根据公式计算出比热容，生热速率以及导热系数。分析模型可知道单个电池的冷却比较充分，而多个串联在一起的时候散热却非常一般，仅存在于表面。电池内部的空隙非常小，虽然空气是热的不良导体，但还是不能忽略空气的热传导作用。根据锂离子电池热模型理论，结合国产动力锂离子电池进行建模分析。研究对象选用单体容量为10Ah的电池，电压为3.3V，内阻是24.5mΩ，大小（W×L×H）为18.25×138.9×65.21mm，质量为327.85g，比能量为100.6Wh/kg。电池正极极耳为铝，负极极耳为铜，外壳材料为不锈钢，这些材料的相关热参数均从参考文献中获得[3]。

通过对模型进行仿真分析，分别对电池在1C、2C、4C倍率的使用条件下进行放电，以及模拟电池在不同使用环境下进行仿真分析。结合理论分析，设置一定的环境温度，确定好不同材料的导热系数、密度以及比热。根据前面分析计算得到的负极极柱、正极极柱和内核的生热率加到对应的区域，在把对流和辐射边界条件加进去，进行计算。进行分析计算的时候，无需考虑导线自己产生的热量，只用考虑电池单体产生的热量。每个电池单体之间有一定的缝隙，这些缝隙之间存在着空气，空气是热的不良导体，但是还是要考虑空气的热传导，在建模的时候要把空气的热传导效益加进去。

根据电池组的温度分析可以看出来，电池组的温度分布和单体电池的温度分布之间存在很大的差别，特别是内部的温度变化很大。为保障电池组中的单电池工作温度相接近，就要让单电池的散热面积基本相同。同时，要使电池的最高温度不会超过规定的最佳工作温度，就要使电池组有一个良好的散热条件，所以要在电池组中设计一些冷却结构。最后对电池组的效率进行一个综合分析，分析电池组的能量效率，可以考虑从其能量流进行分析。电池组的功率损耗主要包括电机损耗，冷却风扇损耗和自身的热损耗。根据电池的自身损耗热功率可以计算出电池组的效率变化，输出功率是电压和电流的乘积。由这些分析可以知道，电池组的热损耗主要和电池组的工作状态相关。在电池组的放电倍率小于3C，电池组的热损耗相比其他情况下是比较小的。根据计算的结果可以知道，在急加速的状态下，电池组的热损耗基本是电池组输出功率的1.14%，这种情况下电池的发热量达到了最大，因此温度上升非常迅速。要想提高电池组的工作效率，就要合理的控制电池组放电电流的大小，而放电电流的大小可以通过电池的制作工艺来减小电池的内阻或者通过适当的工艺制作来减小电池单体之间接线柱的连接内阻，这些都可控制放电电流的大小[4]。

5、结束语

综上所述，本文主要针对混合动力汽车动力电池组的温度管理系统进行了研究分析，研究的内容主要包含电池的热安全性、影响因素以及电池组的热效率。通过这些问题的研究分析，希望解决目前混动汽车电池组的安全问题，同时提高电池组的动力性能，使得电池组的使用寿命变得更加长，这对于新能源混合动力汽车的推广和产业化有非常重大的现实意义。

参考文献：

[1]陈磊涛,许思传,常国峰.混合动力汽车动力电池热管理系统流场特性研究[J].汽车工程,2009,31(3):224-227.

[2]孙志文,朱建新,储爱华,等.混合动力汽车动力电池主动热管理系统设计[J].电源技术,2015(04):161-163,181.

[3]史磊,耿东,王守栖.基于气-液两相换热的混合动力汽车动力电池一体化热管理系统的研究[J].移动电源与车辆,2017(03):30-34.

[4]焦敏,赵治国,陈祥.混合动力汽车用电池热管理系统的设计与研究[J].应用能源技术,2018,250(10):5-8.

胡红霞.混动汽车的动力电池热管理系统研究[J].内燃机与配件,2020(1):228-229.