純電動(dòng)車電池余熱管理

楊旭+屈凡+張進(jìn)

摘 要 研究了純電動(dòng)車乘客車廂對冷、熱空調(diào)的要求，聯(lián)合電池組高溫時(shí)的散熱要求、低溫時(shí)的加熱要求以及對多余熱量的循環(huán)利用性，經(jīng)過對比分析，了解了電池組熱量與熱泵空調(diào)制冷、制熱過程中的交互性，從而通過電池余熱管理控制器的控制，設(shè)計(jì)一個(gè)電池余熱管理系統(tǒng)，在傳導(dǎo)熱量的同時(shí)，能起到玻璃除霜、保持車內(nèi)溫度的效果，進(jìn)而提高車內(nèi)舒適性。

關(guān)鍵詞 電池?zé)崃浚挥酂峁芾?/p>

中圖分類號 TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）08-0055-02

我們身邊的電動(dòng)汽車日益增多，車內(nèi)的舒適系統(tǒng)也受到了人們的廣泛關(guān)注。純電動(dòng)車輛上邊的所有功能的實(shí)現(xiàn)，都是由本身電池電能提供的，我們在使用的時(shí)候，多個(gè)電池組成的電池組，由于高強(qiáng)度放電會源源不斷地產(chǎn)生大量的熱量，這時(shí)候電池產(chǎn)生的熱量是影響汽車性能的主要原因之一，它會影響電池的性能與壽命這兩個(gè)關(guān)鍵因素，如果散熱不及時(shí)還會讓電池遭到永久的損壞。所以我們平時(shí)使用電池的時(shí)候，只有保證電池在正常的工作溫度條件下，才會讓電池發(fā)揮出最佳的工作效果。

1 鋰離子電池?zé)崽匦?/p>

1.1 鋰離子電池特點(diǎn)

鋰電池與其他電池相比的優(yōu)點(diǎn)有：可以產(chǎn)生高電壓，儲存電量充足，使用電池壽命比一般電池要強(qiáng)，沒有污染，自身放電量較小，沒有記憶效應(yīng)。

但是，我們身邊接觸到的鋰離子電池不是完美的，我們在使用它一段時(shí)間后，鋰離子電池儲存電量值會減少。我們使用鋰離子電池一段時(shí)間后，電池中內(nèi)阻會變大，這就讓電池的生熱率明顯增加。我們長時(shí)間令電池充電或者放電都會影響電池的壽命。所以我們應(yīng)該對鋰離子電池儲電條件和工作條件進(jìn)行管理，就可以延長鋰離子電池的壽命了。

1.2 鋰離子電池產(chǎn)熱機(jī)理

我們平時(shí)使用電池的時(shí)候都會在電池當(dāng)中產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，這時(shí)候就會產(chǎn)生反應(yīng)熱量。鋰離子電池的產(chǎn)熱化學(xué)反應(yīng)有：內(nèi)在電解液的分解，負(fù)極材料和電解液反應(yīng)，電池正極分解，負(fù)極材料和粘合劑反應(yīng)，電解質(zhì)界面膜分解。除了在這些反應(yīng)外還有電池中的內(nèi)阻，內(nèi)阻中通過電流時(shí)候就會產(chǎn)生大量的熱，溫度較低的時(shí)候電池主要是由內(nèi)阻產(chǎn)熱為主，以上這些可以放熱的反應(yīng)都可能讓電池工作不穩(wěn)定。這時(shí)候電池中電解液熱安全也影響電池動(dòng)力系統(tǒng)的安全指數(shù)。

我們在實(shí)際操作，車輛的動(dòng)力系統(tǒng)需要車載電池具有高電壓以及長時(shí)間的續(xù)航能力等特點(diǎn)，與此同時(shí)電池工作產(chǎn)生的大量熱能會影響電池以及車輛的安全。這時(shí)候給發(fā)熱的電池降溫對于電池性能的使用有著至關(guān)重要的聯(lián)系。

1.3 電池產(chǎn)熱量、產(chǎn)熱速率計(jì)算

我們平時(shí)電池工作產(chǎn)生的反應(yīng)熱用Qr來表示，電池極化反應(yīng)所引發(fā)的電池內(nèi)部能量損失用Qp表示。電池里邊有著電解液分解和自身放電反應(yīng)，這時(shí)候帶電池的副反應(yīng)能量損失量可以用Qs表示，電池焦耳熱為Qj。所以我們用下面的公式就可以標(biāo)識電池?zé)嵩戳耍?/p>

Qr+Qp+Qs+Qj=Qa

2 電池交互熱管理

為了讓駕駛員處于溫度適宜的駕駛室中，當(dāng)車外的溫度達(dá)到28℃的時(shí)候，車內(nèi)的空調(diào)制冷就會開始工作，對車內(nèi)溫度進(jìn)行降溫。如果室外溫度低于16℃的時(shí)候，就需要對車呢內(nèi)進(jìn)行升溫供熱。科學(xué)研究表明，夏季車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度為22℃～25℃，冬季車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃～25℃。我們平時(shí)熟知的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組在溫度范圍為18℃～45℃之間的時(shí)候，它的工作狀態(tài)最佳。當(dāng)車內(nèi)冷熱條件和電池組的冷熱條件在系統(tǒng)上有一定的聯(lián)系。這樣就可以讓電池電池產(chǎn)生的熱量與空調(diào)制冷或者供熱系統(tǒng)聯(lián)系在一起。如果室外溫度比較高的時(shí)候，電池組產(chǎn)生的熱量不容易散失掉，這樣電池自身的溫度就快速升高，這時(shí)候僅僅靠車輛本身的風(fēng)冷散熱無法滿足電池散熱的需求。結(jié)果就是導(dǎo)致電池組溫度越來越高甚至到達(dá)45℃。我們可以在這個(gè)時(shí)候利用汽車空調(diào)的制冷系統(tǒng)對電池組進(jìn)行冷卻。如果室外溫度為0℃時(shí)，這時(shí)候電池組的內(nèi)阻升高的特別快，導(dǎo)致整體性能變差，這時(shí)我們可以利用汽車空調(diào)的供熱系統(tǒng)對電池組進(jìn)行預(yù)熱。電池當(dāng)達(dá)到工作溫度后就會產(chǎn)生額外的熱量。這部分熱量可以用于車內(nèi)供暖。這一個(gè)想法需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的論證。

3 電池余熱管理系統(tǒng)

電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱能有兩部分組成，其中一部分用在了電動(dòng)汽車供熱系統(tǒng)，另一部分是由電池自身吸收了，當(dāng)車速不同時(shí)電池組的產(chǎn)熱也是不同的駕駛室內(nèi)的溫度決定電池組的工作初始溫度。這時(shí)候就需要對不同溫度與車速下電池組余熱進(jìn)行精確的計(jì)算。我們常見的磷酸鐵鋰電池在25℃的時(shí)候工作效率最高，這時(shí)候電池放電容量和額定容量是相等的，所以電池組的余熱利用，其溫度特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值為25℃。

一般電池冷熱需求可以大致把它們分為3種：制冷（Tair>28℃）；制冷，制熱都不需要（16℃

磷酸鐵鋰電池組的冷熱需求分為3種：散熱（Tair>19℃）；無散熱需求也無加熱需求（16℃

在這個(gè)系統(tǒng)中有制冷工況和制熱工況兩個(gè)模式。制熱工況分為兩種模式，1）只有車內(nèi)需要供熱。2）車內(nèi)和電池組都需要供熱。制冷工況有3個(gè)形式。1）電池組需要散熱。2）車內(nèi)需要散熱。3）電池組與車內(nèi)都需要散熱。

由圖1，電池組由電池組余熱管理控制器控制管理，而空調(diào)由空調(diào)ECU控制，電池組余熱控制器與空調(diào)ECU之間由CAN總線通訊，電池組與空調(diào)之間則有通風(fēng)管道相連，同時(shí)電池組配備有冷卻風(fēng)扇。

由上文可知，鋰電池在25℃時(shí)工作性能達(dá)到較優(yōu)值，當(dāng)電池組溫度超過25℃時(shí)，電池組產(chǎn)生相對于本身來說的剩余熱量，此時(shí)：

當(dāng)熱泵空調(diào)處于運(yùn)行狀態(tài)并制暖時(shí)，說明車廂內(nèi)處于缺少熱量的狀態(tài)，而此時(shí)電池組產(chǎn)生的多余熱量通過與空調(diào)之前的通風(fēng)管道，通過空調(diào)出風(fēng)口送進(jìn)汽車車廂內(nèi)，即為車廂提供了熱量同時(shí)還可起到車窗除霜的作用，又可使空調(diào)降低一定的使用功率，節(jié)約了能源。

當(dāng)熱泵空調(diào)處于運(yùn)行狀態(tài)并制冷時(shí)，為保持電池組的放電容量與額定容量之比，通過與空調(diào)相連的通風(fēng)管道，為電池組輸送一定量的冷風(fēng)，從而使電池組的工作溫度保持在最佳及適宜溫度之間，由此增加電池組的使用壽命。

當(dāng)熱泵空調(diào)未進(jìn)行工作時(shí)，電池組控制器控制冷卻風(fēng)扇的運(yùn)行，通過自然風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷想結(jié)合的手段，為電池組進(jìn)行降溫，同時(shí)，通過監(jiān)控車內(nèi)溫度，當(dāng)車內(nèi)溫度高于28℃或低于16℃時(shí)，提示駕駛員可開啟自動(dòng)空調(diào)進(jìn)行制冷或制熱。

4 結(jié)論

未來汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢就是純電動(dòng)汽車的普及，我們在駕駛電動(dòng)汽車時(shí)候電池組會產(chǎn)生大量的熱，我們只有把溫度控制在最佳范圍內(nèi)才能讓電池組發(fā)揮出最佳的工作性能。這時(shí)候車內(nèi)冷熱要求與車輛電池的冷熱要求就會產(chǎn)生一種即相互配合又存在矛盾的關(guān)系，這時(shí)候把電池的散色，余熱，預(yù)熱結(jié)合在一起，就會成為一個(gè)新的電動(dòng)汽車研究領(lǐng)域，即汽車室內(nèi)溫度與電池的交互熱管理。

參考文獻(xiàn)

[1]丁鵬，田學(xué)鋒，葛如海，等.農(nóng)用車空氣懸架的混沌振動(dòng)特性[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（8）：202-205.

[2]丁鵬，葛如海.基于模糊控制算法的純電動(dòng)汽車空調(diào)控制器的研發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2015，23（12）：4079-4083.