探討純電動汽車鋰離子動力電池熱原理及溫度控制方式

王傳經　丁旺　吳敏　王超　王聯珠

摘 要：新能源汽車成為當前關注焦點，隨著新能源汽車技術瓶頸不斷突破，新能源汽車行業獲得了突飛猛進的發展，尤其是純電動汽車獲得了資金和政策的強力支持。本文重點探討純電動汽車鋰離子動力電池熱原理及管理系統的研發，實現對純電動汽車鋰離子動力電池組的溫度控制，使之在合理的溫度區間之內，較好地提升電池的使用壽命。

關鍵詞：純電動汽車 鋰離子 動力電池 溫度控制

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0090-02

純電動汽車是使用可再生燃料資源的新能源電動汽車，它以動力電池為核心部件，要明晰純電動汽車鋰離子動力電池的熱原理特性，探討純電動汽車鋰離子動力電池的熱管理系統，實現對動力電池溫度的合理控制，避免因電池溫度過高而引發的不良影響，延長鋰離子動力電池的使用壽命，提升純電動汽車的行駛安全性能。

1 純電動汽車電池熱管理系統及其存在的問題分析

1.1 純電動汽車電池熱管理系統概述

純電動汽車動力電池熱管理系統是基于電池的生熱機理和電化學特性，進行科學合理的優化設計，確保動力電池的溫度在適宜的充放電區間，有效規避電池溫度過高而引發的不良風險。純電動汽車鋰離子動力電池熱管理系統由電池箱殼體、傳熱介質、溫度傳感器、加熱部件、散熱部件、夾具等構成，通過溫度傳感器實現對電池溫度的實時、動態監控，確保電池保持在最佳的充放電區間，并保證電池組溫度分布的均勻一致性，規避電池組內電池單體的溫度失控風險。同時，要選擇適宜的空氣冷卻方式，清除電池內部因化學反應而生成的異味氣體，提升電池使用的安全可靠性。

1.2 純電動汽車電池存在的問題分析

當前的純電動汽車電池還尚未突破關鍵技術瓶頸，具體表現出以下方面的問題：（1）續航里程低。純電動汽車電池組在行駛過程中要消耗大量的能量，難以持續提供行駛里程所需的能量，導致純電動汽車續航里程偏低。同時，純電動汽車日趨功能多樣化、復雜性的特點，在工作狀態下會消耗電池組的部分能量，也會降低汽車的續航里程。（2）電池熱管理系統和電池管理系統存在欠缺。純電動汽車的電池熱管理系統及電池管理系統還存在欠缺，難以實現對電池的SOC、SOH、SOE預測和自檢，缺乏對電池的過電流、過電壓和溫度保護，對于整車通信、故障預警和充電控制存在欠缺。（3）其他問題。動力電池價格成本偏高，尺寸及質量也較大，不利于純電動汽車的加速提升。同時，動力電池基礎配套設施還存在不足，導致電池充電緩慢。

2 鋰離子動力電池的熱原理分析

2.1 鋰離子動力電池的結構

鋰離子動力電池通過鋰離子在正負極間的往返運動實現充放電，由電極引線、正極材料、電解液、隔膜和負極材料構成，其中：正極材料通常選取過渡金屬氧化物，如LiFePO4、LiCoO2等；負極材料通過嵌入/脫出鋰離子，擴大或縮減鋰離子電池的容量；電解液依賴于自身的高離子導電性能，實現正負電極間的電荷輸送，提升鋰離子電池充放電的存儲能量、功率密度及能量密度；隔膜可以防止正負極間的短路現象，確保鋰離子通暢無阻地在正負極板間發生電化學反應。

2.2 鋰離子電池熱特性

鋰離子電池的充放電過程是在正負極間經由中間的電解液和隔板，進行往返運動。具體表現為：當鋰離子動力電池充電時，由黃色的正極嵌入/脫出，并經由電解液和隔膜進入到藍色的負極。當鋰離子動力電池放電時，由右邊藍色的負板脫插而出，并經由電解液和隔板進入黃色的正極。同時，在鋰離子電池充放電的過程中，以熱輻射、熱傳導、熱交換為傳熱的主要體現方式，并會產生化學反應熱、歐姆內阻熱、極化內阻熱等熱量，導致電池內部的溫度、密度、電解液濃度和活性不斷發生變化。

3 立方體鋰離子電池組的溫度場分析

3.1 鋰電池單體及電池組在相同風冷散熱條件下的溫度場分析

鋰離子電池的工作參數包括有：放電倍率、放電電流、放電時間、內部生熱等，比較而言，鋰離子電池成組排列比單體的散熱效率要低，這主要是由于電池組僅有兩個面完全接觸空氣，相較于單體而言散熱面積較小，在對流與輻射傳熱的條件下難以散出電池熱量。

3.2 電池組強迫風冷散熱裝置的降溫效果分析

要建立電池組強迫風冷散熱裝置，實現鋰離子動力電池的熱管理，可以采用并行通風裝置，保證電池周邊的氣流溫度在一定的低溫。當電池組在1C放電倍率的條件下，簡單的并行通風散熱難以達到明顯的降溫效果；當電池組在2C放電倍率的條件下，能夠達到明顯的風冷降溫效果；當電池組在3C放電倍率的條件下，電池溫度急劇升高，存在引發火災及爆炸的風險，必須安裝大功率的制冷裝置或采用水冷及相變材料，以實現對溫度的冷卻處理，有效降低電池組的工作溫度。

3.3 電池組強迫水冷散熱裝置分析

可以建立電池組強迫水冷散熱裝置，保持5mm的電池間隙，設計扁平的立方體管道，以兩個鋰電池為一組，共設計六組，每組設置入水口和出水口。

4 鋰電池單體及電池組的均衡溫控策略分析

為了更加徹底地解決鋰電池組的高溫問題，單純的空氣冷卻方式無法解決電池單體及電池組溫度過高的問題，為此，應當對每一節電池和所有電池包進行充放電的均衡，對鋰電池組實施散熱處理，減少和規避電池單體過充、過放的問題。

4.1 均衡系統結構分析

在純電動汽車鋰離子動力電池均衡控制系統之中，主要由均衡模塊、電壓采集模塊、控制器模塊、PTC加熱器、充電機等構成，避免電池組中各電池單體電壓不一致而出現的損害。同時，在均衡控制系統之中，要選取適宜的元器件，如選取電能消耗小、阻抗小、壓降小的SS13二極管；導通內阻比較小的MOSFET管等，確定合理的電壓參數。另外，對電池單體和電池組進行靜置、充放電實驗，縮減電池單體及電池組間的端電壓差異，實現充放電狀態下的均衡，避免電池單體過放、過充、欠壓而出現的溫度失控狀態，有效延長鋰離子動力電池的使用壽命。

4.2 均衡系統策略分析

電池單體難以為純電動汽車提供足夠的動力支撐，為此要將電池單體進行串聯形成電池組，然而因電池單體存在差異性，導致電池組在充放電過程中出現差異性問題。對此可以采用均衡技術加以解決，均衡技術主要包括主動均衡和被動均衡兩種方式，其中：被動均衡是電阻放電式均衡，利用電阻消耗電量而產生熱能，實現電池放電均衡，要注意只可多個單體同時放電而不可充電。

5 結語

綜上所述，純電動汽車技術日趨完善和成熟，電池熱管理系統成為深度研究和開發的重要課題，要明晰和了解純電動汽車鋰離子動力電池的結構及熱工作原理，分析立方體鋰離子電池組在不同條件下的溫度場分布，并從電池生熱的源頭入手，探討均衡系統的結構設計和控制策略。未來還要著重研究電池熱管理系統的仿真結果與實際結果的分析，基于電池工作中的電流變化狀態分析鋰離子電池工作過程，并關注電池組溫度過低狀態下的加熱處理研究，拓展鋰離子電池溫度控制研究的深度。

參考文獻

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