纯电动汽车电池热管理技术研究

发布时间：2024-12-23 01:14

电动汽车电池技术的研发，有望解决续航和充电速度问题。 #生活知识# #生活感悟# #科技生活变迁# #新能源汽车#

摘要：目前我国经济水平和各行业的快速发展，我国科技水平发展也十分快速。电动汽车作为新能源汽车主要类型之一，其销量也在逐年上升。但续驶里程短、充电时间长以及偶有发生的电动汽车自燃、起火事故等一直广为诟病。一是要大力研发能量密度更高、可以快速充放电、使用更加安全的电池;二是要提高电池的管理技术和管理手段，构建一个更加科学、完善的电池管理系统，更好发挥电池的性能。电池热管理技术的研究，目前主要集中在如何导出电池工作时产生的热量，使电池在最佳的温度范围内工作。同时相变材料在电池热管理中的应用也作为一个研究热点。下面依次对主要的电池冷却类型及研究现状进行介绍，同时简单介绍电池低温加热方式，为纯电动汽车电池热管理系统的选择、优化设计提供参考。

关键词：纯电动汽车;电池热管理;冷却

引言

为提高动力电池液冷系统和加热系统的冷却和加热效果与安全性，本文中基于理论分析和数值模拟的方法设计了一种新型冷热集成系统。其中，液冷板采用独立式盘绕铝管嵌入铝材基板结构，并设计了流量分区以适应电池模组差异化的冷却需求，而低温条件下电池模组的快速加热，所以电池的温度控制对于电动汽车的性能尤为重要。总结出液冷冷却系统是动力电池未来更应考虑的发展方向。

1电池包总成

为充分利用电池箱内部有限的空间及合理布置线束，将电池箱分为2层：电池模组置于下层，电池管理系统、继电器、熔断器及线束置于上层，显示器置于靠近上层侧箱。电池包内根据设计要求共分为6个模组，动力蓄电池模组是蓄电池单体的集成形式，它占据了整个电池箱的大部分空间，而蓄电池单体的尺寸形状又由其相关参数决定。线束合理化设计需要满足电磁兼容和总线冗余要求。电池包通讯线束由各电池模组经过CAN总线传输给电池管理系统（BMS），动力线串联6个电池模组，并通过总正、总负输出端与电池箱上层结构中的线路盒内的保险丝、高压主正继电器、高压主负继电器、预充电继电器、预充电阻、电流传感器相连接。

2热管理系统设计

2.1液冷

液冷是综合性能最好的冷却方式。对电池液冷系统影响较大的主要因素有冷却液的理化性质、冷却管路的流道布置。液冷按结构分，可以分为直接接触和间接接触两种方式。直接接触式是将电池浸泡在冷却液中，优点在于换热效果极佳，温度均匀性较好，但缺点是对电池包内外的密封、绝缘性能提出了很高的要求。间接接触式则是在电池包内铺设流道，使冷却液在流道内流动，优点在于降低了对密封、绝缘性能的要求，因此多使用水、水/乙二醇等粘度小、导热率高、比热容高的液体作为冷却液，这样通过在较小范围内调整循环泵的转速，即可在较大范围内调整冷却强度。但因为冷却液只能在预设的流道内流动，而流道同电池间接触有限，使得电池的温度均匀性下降，因此需要研究如何布置流道以获得最好的温度均匀性。对于液冷系统，国内外学者进行了大量的研究。通过对锂离子电池和整车的仿真分析，得到了电池的生热速率，并设计了一种液冷系统。又结合环境温度、冷却液入口温度、流量等影响因素，对电池组温差较大的问题，从导热系数和加装辅助液冷板两个方面改善了电池组的温度均匀性。最后在高温中低速定速爬坡和高温高速爬坡两种恶劣工况，验证了其模型的可行性。结合整车性能和空间要求，在确定电池组和液冷板的布置方式后，又采用仿真手段设计并优化了一种具有微小通道结构的热管理系统。考虑到电池组的加热需要，又对加热片进行了选型，最终设计出一种兼具散热和加热的热管理系统。颜艺[7]提出了一种液体直接接触电池的液冷系统。通过对不同流道布置方式进行仿真分析后，最终选用高低交错式“U”型结构，确定系统散热、加热最佳流速为1.0m/s，加热功率为500W，保温材料为二氧化硅气凝胶，厚度10mm，最后通过搭建样机并实验，验证了设计的热管理系统与仿真结果基本一致。

2.2散热系统通风结构

散热系统包括风扇、温度传感器、相关线束等。动力电池包风冷形式中，散热系统通风结构分为串行通风结构和并行通风结构，其中串行通风结构电芯排布简单要求较低，而并行通风结构散热效果较好，但其电芯排布及固定方式较为复杂。综合散热需求，所设计动力电池包散热系统通风结构采用串行通风形式。电池箱后部侧板设置2个60mm×60mm的风扇，箱体前部设置有通风口，通风口设有百叶窗式防水罩用于电池包防水。

2.3热管理系统选型

这种散热手段有一定的局限性，受环境温度影响大，当环境温度过高时，导热介质的温度无法迅速下降，温度可控性较低。电池系统加热也大都采用在电芯表面粘贴加热膜进行加热，加热膜的加热效率低，而且会导致触电风险增大，故障率也会跟着增加。本文的动力电池热管理系统采用空调制冷系统对导热介质强制制冷，不受环境温度影响。同时采用PTC作为加热模块，强制对导热介质进行加热。整套系统内含控制系统，通过在循环水路设置水温传感器，采用智能化控制，可以精确的将水温控制在设定区间，从而保证电池处于高效的工作温度。空调制冷系统集成安装在一个箱体内部，集成度较高，基本上可以在不影响整车空间的情况下搭载应用，安装便捷，可维护性高。动力电池热管理系统主要以电池箱的进水温度为设计目标，通过将导热介质的温度控制在恒定的温度区间内，进而为电池箱输入最佳温度状态的导热介质，以确保电池箱处于最佳的工作温度，既提高了电池箱充放电的稳定性、安全性，也延长了电池的循环寿命。

2.4热处理方案小结

成本和体验感是影响消费者购买汽车最主要的因素，车企为了降低消费者购车成本和提高用车的舒适度，大力研发高续航里程电动汽车，而这往往意味着汽车会使用更多电池，会产生更多的热量，因此高里程电动汽车往往需要更高效的热管理系统。风冷由于冷却速度慢，温降不明显，无法满足高能量动力电池散热需求;相变材料由于导热系数小、体积变化打、封装困难、无法循环流动、价格高昂等问题无法大规模投入动力电池的热管理应用中;液冷电池热管理系统由于传热效率高、稳定性好、技术成熟，越来越成为市场主流热处理方案。

结语

电池热管理系统，是在现有空调系统技术基础上的进一步改进，系统的零部件技术都较为成熟，性能稳定，可靠性高。动力电池热管理系统的控制器是基于整车控制技术进行研发设计，硬件和软件设计均已多次优化，经反复试验，其具有较强的控制精度和稳定性。热管理系统会向标准化、模块化方向发展。目前对于单一车型热管理技术尚处于定制化阶段，各个车场企业的热管理设计思路各不相同，因此热管理方案标准化是实际需求也是发展趋势。而液冷冷却系统是标准化适用范围更广，效率更高，成本更合理的动力电池热管理方法，是更应考虑的发展方向。

参考文献：

[1]罗宗鸿.电动汽车电池热特性及电池组风冷散热研究[D].南昌航空大学，2018.

[2]高肖璟.基于风冷散热的电动汽车电池组电热耦合模型及温度控制研究[D].吉林大学，2019.

[3]杨明飞.电动汽车动力锂电池包结构设计及其液冷散热性能研究[D].青岛科技大学，2019.

[4]杨洋.纯电动汽车锂离子电池组液冷散热系统研究[D].华南理工大学，2018.

[5]周嘉.基于微小通道的纯电动汽车软包电池组热管理结构优化设计[D].合肥工业大学，2018.

网址：纯电动汽车电池热管理技术研究 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/542959

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