電動汽車動力鋰電池組電源管理系統的設計研究

周炳偉

摘 要：隨著我國電動汽車高科技發展的不斷進步，電動汽車中的鋰電池組電源管理系統的性能和設計越來越受到廣泛關注，從現行的電池組電源管理系統中應實現逐步的改進，在電池組的高溫和最大溫差上做合理設計研究，只有這樣才能讓電動汽車的鋰電池組發揮更高的性能，從而提高電動汽車的綜合性能和動力。該文筆者主要針對電動汽車動力鋰電池組的電源管理系統設計做研究，以供參考。

關鍵詞：電池熱管理 電動汽車 鋰電池組 電源管理

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（b）-0034-02

近年來，環境能源危機和環境質量的大幅度降低促進了電動汽車的快速發展，在電動汽車的發展過程中，電池作為主要能源，對電動汽車的動力產生了較大影響，而在電動汽車最主要的動力來源的鋰電池性能的好壞則更加影響電動汽車的整體綜合性能，鋰電池的電源管理系統在啟動和運行時都會放出大量的熱量，如果熱量分布不均勻就會造成鋰電池組電源管理系統的性能下降，從而嚴重影響電池的壽命，因此，較好地降低鋰電池組的控制溫度是電池性能增加的關鍵。從現有的鋰電池組管理系統來看，能夠滿足的材料不多，因此，需要新型的電池組材料才能滿足電動汽車的動力發動。

1 散熱方案設計

1.1 相變材料的原理及制備

相變材料（PCM）是一種能夠吸收和釋放相變潛熱的材料，近年來在國外出現的采用相變材料冷卻的電池熱管理系統展現出良好前景，值得引起國內業界高度重視。石蠟是市面上常用的相變材料，它由于具有相變溫度接近電池的最佳工作溫度，單位質量相變潛熱高，成本低廉等特點，已經被廣泛應用。但它的缺點是具有較低的熱導率，不利于對電池進行散熱通過瞬態平面法測得石蠟的熱導率為0.156 7 W·m-1·K-1，而通過激光導熱法測得的復合相變材料的導熱率為3.953 W·m-1·K-1。所以，該文擬在石蠟中加入適當比例的石墨，以彌補單一石蠟熱導率低的問題。利用Maxwell-Eucken模型估算不同膨脹石墨質量分數下的石蠟/膨脹石墨復合相變材料的導熱系數。

為驗證理論計算的正確性，做了如下實驗驗證。相變材料的工作過程如下：相變材料自身發生相變時，吸收電池充放電時釋放的熱量，從而降低電池溫度，減小各部分間的溫差。可以計算出使一個電池保持在合適且穩定工作溫度范圍下所需要的相變材料的質量。假定電池最佳工作溫度為40 ℃～50 ℃，并計算得出所需相變材料985.4 g。在保證石蠟總質量不變前提下，改變石墨質量，并研究石蠟/石墨復合相變材料的組成對電池散熱性能影響，為此配制了3種石蠟/石墨復合相變材料，其組成和主要熱物理性質。

1.2 鋰電池組散熱單元的設計

對于柱狀電池組，空氣流場的分布會直接影響溫度場的分布。因此，合理設計電池模塊的排列方式，進、出風口，選擇合理的箱體形狀，獲取合理的流場分布，是電池組設計的主要內容。市面上大多數電池的排列方式為平行排列和交錯排列，但是由于冷卻風流經上游電池模塊后，自身溫度上升，導致冷卻下游電池的能力下降，整個電池箱內的整體溫度分布不均。因此，在交錯排列的基礎上提出的梯形排列，采用這種梯形結構，可使沿氣流方向的冷卻風溫度上升的同時，冷卻風的風速逐漸增大，對流換熱系數增大，使上下游空氣冷卻效果基本平衡，最終電池組內部各區域的溫度能基本控制在比較均勻的水平上。根據梯形排列方式，選用某品牌18650鈷酸鋰電池為研究對象進行建模，經過簡化后設計出26個單體電池所組成的電池組。單體電池尺寸為Φ18 mm×65 mm，26個電池呈梯形排列，電池均勻排列且間距為35 mm。接下來，對電池箱整體進行設計?？紤]到復合散熱的需要，利用Solidworks軟件對箱體進行仿真建模，設計出相應的箱體。

2 鋰電池組電源管理設計

根據電源管理系統的總體應用需求，對電池組提出如下要求：

2.1 電池組的設計

根據電源管理系統負載，電流在2 A左右，電壓范圍9 ～13 V，待機需2 h左右。根據這項要求，核算出電池組的容量：2A*2H=4 000 mAh。考慮到成本和生產效率因素，采用通用型鋰電池18 650（聚合物需要定制，周期長，成本高）。18650電芯標準電壓3.7V，常用容量2 600 mAh。根據以上對電壓和容量的要求，可以算出；需要3個電芯串聯，標準電壓達到11.1 V，最高12.6 V，最低9 V，滿足電壓的要求；需要再并聯1組，容量達到5 200 mAh，滿足容量的要求。即采用3串2并的共6節電芯搭配方案?？偨Y為：電池組為3串2并方案，標稱電壓11.1 V，標稱容量5 200 mAh。

2.2 控制板的設計

由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此，鋰電池組需要一塊控制板才能夠安全地使用。在電池組待機工作時，系統需求電流正常為2 A，最大為5 A?？偨Y上述要求，對控制板的功能設計要求如下：（1）過充保護功能，針對每節電芯，過充電壓4.22 V；（2）過放保護功能，針對每節電芯，過放電壓2.75 V；（3）短路保護功能，針對每節電芯；（4）過流保護功能，選擇為最大電流的1.3倍，即6.8 A；（5）過溫度保護功能，針對電池組表面；（6）控制板尺寸要盡量小。

保護板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容、NTC等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關導通，使電芯與外電路導通，而當電芯電壓或回路電流超過規定值時，它立刻控制MOS開關關斷，保護電芯的安全。根據要求達到的五種保護功能，首先選擇合適的控制IC。同樣考慮到成本的限制，選擇國內較為成熟的動力電池芯片控制IC-BM3451貼片式，該IC具有如上所有保護功能。接下來依照控制IC應用說明繪制控制板電路如下：

電路中MOS Q1～Q4的參數選擇，其電流要留有余量，選擇最大電流的2倍即10 A，每個MOS 5 A容量。R11的設計滿足過流8A的要求，取10 mΩ。NTC選擇常見的10 kΩ，溫度設定在50 ℃。以此設定各器件參數。輸入端口為電池正負極B+＼B-和串聯中間二個節點B2＼B1，輸出端口為P+＼P-，輸出端增加一個connector，方便與系統接線至此，電路設計完成，重新檢查無誤后LAYOUT控制板。

2.3 結構的設計

根據系統預留空間，考慮到電芯和PCB的固定可靠性，需要設計一個支架來固定?？紤]將電芯靠在支架兩側，雙面膠固定，PCB位置設計成卡口固定，外面再用套管套住，這樣就能保證結構的穩定性了。

2.4 電池模組的整體設計

支架的尺寸與控制板要一致，修正控制板的尺寸圖，模擬組裝沒有問題后，控制板和支架就可以發出去打樣板了。其他輔料稍作設計，也發出去打樣。樣品到齊后組裝成品。

3 效果分析與測試

根據所設計的散熱方式和電池組箱體結構，利用Fluent進行仿真模擬，對比自然散熱和新型散熱方式散熱效果可以看出，所設計的新型散熱方式將最高溫度降低了31%，最大溫差降低了55%，電池組性能得到了顯著提高。

4 結語

綜上所述，通多鋰電池組的整體管理系統設計，首先能夠解決鋰電池組的散熱問題，散熱量越好就能夠顯著地提高鋰電池組的使用效率，增加性能和功率，從而通過這種復合散熱設計方式也增加了鋰電池組的散熱結構，保證散熱均衡，在電源管理系統的設計結束夠，通過測試其性能穩定，復合鋰電池組電源的運行環境，并且整體鋰電池組電源組的電源管理系統方案穩定，能夠為今后的電動汽車動力鋰電池組電源管理系統提供更多的寶貴經驗。

參考文獻

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