智能安全高效的新能源汽車電池熱管理系統(tǒng)

朱敘 向靖 黃才智 李雪莉

摘 要：隨著新能源汽車的發(fā)展，電動汽車的電池壽命及使用效率成為共同關注的熱點，而溫度是影響電池性能的關鍵因素。基于目前實際問題，本項目擬設計一種基于被動散熱-硅膠導熱吸熱和循環(huán)液體換熱與主動散熱-空氣冷卻相結合，以集提前預熱和安全裝置為一體的智能控溫可連續(xù)工作的電池熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠及時有效地降低電池溫度，增強電池穩(wěn)定性，提高電池工作效率。

關鍵詞：新能源汽車;電池熱管理;熱效率

中圖分類號：U469.7 文獻標識碼：A

1 對本項目的相關資料進行了收集

傳統(tǒng)燃料汽車在行駛過程中排放出大量的二氧化碳和熱量，既污染空氣又會導致氣溫升高，無論是從能源結構調(diào)整的角度，還是環(huán)境保護的方面來看，發(fā)展新能源汽車是大勢所趨。而電池是新能源汽車的核心部件，其性能的好壞決定著汽車的安全性、經(jīng)濟性和行駛里程等，而在目前眾多電池類型中，鋰離子電池[1]（以下簡稱鋰電池）性能最佳，廣泛應用于電動汽車中。

影響鋰電池性能的因素眾多，其中溫度是影響其性能的重要因素，理論使用溫度為-40℃至70℃，但鋰電池在高溫或者低溫環(huán)境下工作時，都會對電池造成不可逆損失甚至安全事故。因此，為保證其性能最佳，適宜工作溫度應嚴格控制在25℃±5℃。

目前，新能源汽車在上市售賣以來，因散熱系統(tǒng)不完善而導致電池溫度過高或過低，引起的自燃爆炸事件頻發(fā)。由此可見，對此類電池散熱、安全防護問題的研究刻不容緩。

因此，我們提出了基于被動散熱-硅膠導熱吸熱和循環(huán)液體換熱與主動散熱-空氣冷卻相結合，以集提前預熱和安全裝置為一體的智能控溫可連續(xù)工作的電池熱管理系統(tǒng)，及時高效地對電池進行散熱，同時利用防止個別電池失效和熱失控故障的裝置，有效解決了電池熱失效、起火、爆炸等問題，保證了駕乘人員安全。散熱裝置的硅膠片能夠及時吸收一部分電池熱量，減緩電池溫度升高的速度;利用循環(huán)相變液冷，酒精汽化吸收電池產(chǎn)生的熱量;同時結合均勻送風[2]，可起到主動散熱，達到減少電池包內(nèi)部電池間溫差和單個電池內(nèi)外較大溫差的作用。電池熱管理系統(tǒng)預熱裝置通過遠程控制碳纖維加熱絲進行預熱，可使汽車啟動時，電池可以處于最佳的工作溫度區(qū)間。相比傳統(tǒng)，本系統(tǒng)利用了熱敏電阻隨溫度升高阻值降低和靈敏度高的特性，對熱失效自清裝置進行了簡化，實現(xiàn)直接針對任一失效電池進行單獨隔離，保證了電池組整體運行的穩(wěn)定性。

2 對系統(tǒng)總體方案進行了設計

2.1 總體方案

本作品相比市場已有熱管理系統(tǒng)，具有散熱效果好、節(jié)能環(huán)保的特點，且集散熱、預熱和安全裝置于一體，便于實現(xiàn)，實用性廣，易于推廣。該電池熱管理系統(tǒng)三個部分，第一部分為散熱裝置，第二部分為預熱裝置，第三部分為安全裝置。

2.1.1 散熱裝置

散熱裝置一般適用于南方的夏天，比如重慶。此裝置分為三個板塊，依次為第一散熱裝置、第二散熱裝置和風冷裝置。通過硅膠吸熱，循環(huán)液冷結合酒精相變達到及時高效對電池進行散熱的目的，從而延長電池壽命及其續(xù)航能力。

第一散熱裝置包括貼在電池表面的硅膠材料和內(nèi)部持續(xù)流動著酒精的液冷板。當電池溫度超過最佳工作溫度區(qū)間的最大值時，散熱硅膠吸收電池的熱量，使電池升溫速度變慢，再將熱量傳遞給內(nèi)部會持續(xù)循環(huán)酒精的液冷板。如此可達到降低電池溫度的目的，維持電池正常工作的溫度范圍，有效地延長電池壽命。

第二散熱裝置包括接在液冷板寶塔水嘴上的細管，智能蠕動泵和表面貼有兩個60 W制冷片的小型水箱;水箱內(nèi)裝有足夠容量的酒精，再利用蠕動泵使酒精通過液冷板的兩個寶塔水嘴在液冷板中循環(huán)往復，一個水嘴用于進酒精，另一個水嘴用于出酒精;在水箱的側(cè)面貼有兩個用于冷卻酒精的制冷片和其散熱裝置;酒精在液冷板上的管道流動過程中會吸熱汽化發(fā)生相變過程，又因為整個管道系統(tǒng)是閉式系統(tǒng)，故酒精可在水箱中凝結成液體，重新回到管道中對電池進行散熱。

風冷裝置包括電池組側(cè)方下部的狹長送風口和位于電池組下方裝有兩個小風扇的風道，風扇通過送風口實現(xiàn)均勻送風，對電池組進行散熱（實際中由多個電池組成一個電池組）。冷風自下而上流過電池表面，電池的電芯，散熱硅膠片以及液冷板上的細管，達到減少電池包內(nèi)部電池間溫差和單個電池內(nèi)外較大溫差的作用，盡可能實現(xiàn)電池包的均溫性。

2.1.2 預熱裝置

此裝置包括極小型發(fā)電機、碳纖維加熱絲、溫控板和遠程遙控開關。北方冬季氣候寒冷，啟動汽車前往往需要預熱才能使汽車電池達到最佳工作的溫度區(qū)間，此裝置可利用手機APP或微信小程序輸入預計出門時間，遠程啟動極小型發(fā)電機，通過均勻分布在電池表面的碳纖維加熱絲來使電池達到合適的工作溫度。

2.1.3 安全裝置

此安全裝置包括和電池正負極相連的熱敏電阻、指示燈、保護電阻與設置于電池上方裝有滅火劑的安全倉。熱敏電阻額外接一根導線在電池正負極之間，當電池溫度在合適的工作溫度區(qū)間時，熱敏電阻的電阻值趨向于無窮大，相當于熱敏電阻所在支路斷路。當電池溫度超出限定的安全溫度時，熱敏電阻的電阻值趨向于零，相當于使電池短路，從而使已損壞的電池自動退出工作系統(tǒng)而不影響整個電池回路。并且再接一段具有指示燈與用于保護指示燈的電阻的支路，可以用來識別已損壞的電池并及時更換。

3 結論

為了解決新能源汽車電池因溫度過高或過低而導致電池壽命減少，續(xù)航能力差和經(jīng)濟性安全性不佳的問題，本項目提出一種循環(huán)液體換熱、液體相變及提前預熱的電池熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括預熱裝置，散熱裝置和安全裝置。該系統(tǒng)的散熱裝置能夠及時有效地降低電池溫度，增強電池穩(wěn)定性，提高電池工作效率;系統(tǒng)中的預熱裝置是保證電池在低溫環(huán)境下可提前預熱而及時啟動，避免電池在溫度過低的情況下運行而造成不可逆的損傷;系統(tǒng)中的安全裝置是保證電池在個別電池熱失效故障的情況下，使失效電池自動退出工作電池組，不影響其他電池工作，保證汽車的正常行駛，消除安全隱患，防患于未然。

參考文獻：

[1]凌晨.電動汽車用鋰離子電池熱管理系統(tǒng)的研究[D].河南師范大學，2019.

[2]高亞男，儲愛華，張彤.風冷電池熱管理系統(tǒng)控制策略研究[J].電源技術，2019，43（09）：1474.