新能源汽車動力電池組熱失控檢測與熱管理策略探析

摘要：新能源汽車動力電池組直接決定了整車的續(xù)航里程、加速性能和使用壽命等核心指標，只有在電池組方面取得長足進步，構建高性能、長壽命、低成本的電池系統(tǒng)，才能真正提升新能源汽車的整車性能和用戶體驗，最終實現(xiàn)與傳統(tǒng)燃油車的全面競爭，從而推動能源轉型和可持續(xù)交通發(fā)展。圍繞新能源汽車動力電池組熱失控檢測和熱管理策略展開研究，闡述了動力電池組熱管理的重要性，分析新能源汽車的動力電池組熱失控檢測路徑，并論述了新能源汽車動力電池組熱管理策略。

關鍵詞：新能源汽車；動力電池組；熱失控檢測；熱管理策略

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-10-30

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.032

1 前言

新能源汽車因其清潔環(huán)保、能源高效利用等優(yōu)勢成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路，而動力電池作為新能源汽車的“心臟”，其安全性、一致性和使用壽命直接決定了整車的性能表現(xiàn)[1]。動力電池在使用過程中極易出現(xiàn)熱量堆積、溫度異常等熱失控問題，這不僅會加劇電池衰化、縮短使用壽命，還可能引發(fā)嚴重的安全事故。因此，對動力電池組熱失控狀態(tài)進行及時精準檢測，并基于檢測結果采取相應的熱管理策略，對確保新能源汽車的安全運行和提升整車性能至關重要。

2 新能源汽車動力電池組熱管理的重要性

新能源汽車的動力電池組是其核心組件之一，其性能直接影響汽車的續(xù)航里程、安全性及整體壽命。因此，動力電池組的熱管理系統(tǒng)（Thermal Management System，TMS）顯得尤為重要。

動力電池在使用過程中會產(chǎn)生熱量，如果熱量不能有效控制，電池溫度過高將會加速電池老化，降低電池的能量輸出效率和功率輸出，從而直接影響汽車的續(xù)航里程。電池在最佳溫度范圍內(nèi)（通常為20～40 °C）可以維持最佳的化學反應速率，確保電能的最大利用和最高輸出[2]。熱管理系統(tǒng)通過監(jiān)控電池溫度并通過冷卻或加熱措施調(diào)節(jié)溫度，可以有效地保持電池組在最佳工作溫度區(qū)間，從而確保電池的高效運作，延長車輛的實際行駛里程。例如，在寒冷環(huán)境下，熱管理系統(tǒng)可以預熱電池組，避免電池因溫度過低而導致的啟動困難或續(xù)航能力下降；而在高溫環(huán)境下，系統(tǒng)則通過冷卻措施防止電池過熱，確保車輛的性能穩(wěn)定。

動力電池的安全性是新能源汽車最為關注的問題之一。電池組在過熱情況下會發(fā)生熱失控，這是電池安全事故中最嚴重的一種情況，有效的熱管理不僅可以預防因溫度過高引起的熱失控問題，還可以防止由于溫度不均造成的電池內(nèi)部結構損傷，這種損傷可能會加速電池老化，減少電池的整體壽命[3]。電池在適宜的溫度條件下運行，其化學反應更加穩(wěn)定，電池衰減速度更慢，從而顯著延長電池的使用壽命。熱管理系統(tǒng)通過精確控制每個電池單元的溫度，確保所有電池單元均勻受熱，避免部分單元過熱或過冷，從而在全電池組層面上實現(xiàn)溫度的均衡，提高了電池組的整體可靠性和穩(wěn)定性。doV5yySRKYcmh8DbMTbvfA==

3 新能源汽車的動力電池組熱失控檢測路徑

3.1 多參數(shù)實時監(jiān)測與預警

新能源汽車的動力電池組在運行過程中可能會由于多種原因發(fā)生熱失控，這對車輛的安全性構成嚴重威脅，因此，實現(xiàn)動力電池組的多參數(shù)實時監(jiān)測與預警是提高電池安全性的關鍵技術之一。

動力電池組的熱失控通常是由多種因素共同作用的結果，包括電池的溫度、電壓、電流以及電池內(nèi)部的化學反應狀態(tài)等，為了全面掌握電池組的運行狀態(tài)，研究人員需要對這些參數(shù)進行實時監(jiān)測。首先，溫度是影響電池性能和安全的關鍵指標，通過在電池單元中部署溫度傳感器，研究人員可以實時監(jiān)測到每個電池單元的溫度變化，一旦某個單元的溫度超過預設的安全閾值，系統(tǒng)便會立即發(fā)出警報[4]。其次，電壓和電流的實時監(jiān)測也同樣重要，異常的電壓或電流變化是電池性能下降或熱失控的前兆。例如，如果電池單元出現(xiàn)短路或充電過程中電流過大，系統(tǒng)可以通過電壓和電流的異常波動來及時檢測并進行處理。現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)（BMS）集成了高精度的傳感器和先進的數(shù)據(jù)處理技術，可以對這些參數(shù)進行精確的實時監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析預測電池的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。

在多參數(shù)實時監(jiān)測的基礎上，建立有效的預警系統(tǒng)對于提早識別和預防電池熱失控至關重要。這一系統(tǒng)利用機器學習和人工智能技術，根據(jù)實時收集的電池參數(shù)數(shù)據(jù)，通過算法模型進行深入分析，實現(xiàn)對電池熱失控的預測。這些算法可以識別出電池參數(shù)的微小變化，甚至在電池表現(xiàn)出明顯異常行為之前，就能夠預測出潛在的風險。

例如，系統(tǒng)可以整合溫度、電壓、電流和內(nèi)阻等數(shù)據(jù)，通過歷史數(shù)據(jù)訓練得到的預測模型來評估電池的熱失控風險，一旦檢測到潛在的熱失控風險，系統(tǒng)將自動啟動預警機制，向駕駛員或維護人員發(fā)出警報，并可以根據(jù)情況采取相應的措施，如降低電池充電速率、調(diào)整溫度管理策略或者在必要時進行電池組的隔離和停機處理。智能預警系統(tǒng)可以最大程度地減少熱失控帶來的風險，還能有效延長電池的使用壽命，提高車輛的運行安全性。

3.2 氣體分析與早期預測

由于內(nèi)部化學反應的復雜性和外界環(huán)境的影響，新能源汽車動力電池組會出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，這種情況一旦發(fā)生，會迅速影響電池組的整體安全。因此，氣體分析與早期預測作為一種有效的檢測手段，對于防止熱失控具有重要意義。

在電池熱失控的初期，電池內(nèi)部會發(fā)生一系列復雜的化學反應，這些反應會產(chǎn)生特定的氣體，如氫氣（H?）、二氧化碳（CO?）、一氧化碳（CO）等，研究人員通過對這些氣體的種類和濃度進行監(jiān)測，可以有效地識別和預測電池組是否存在熱失控的風險，實現(xiàn)這一目標的技術手段包括安裝高靈敏度的氣體傳感器在電池模組或包內(nèi)部，這些傳感器能夠在電池發(fā)生異常反應產(chǎn)生微量氣體時迅速檢測并反饋信息。例如，氫氣是在電池過熱時由于電解液分解較早釋放的氣體，對其濃度的實時監(jiān)測可以作為熱失控的早期預警信號。

僅僅監(jiān)測氣體的存在并不足以提供所有必要的安全保障，研究人員必須通過智能化的數(shù)據(jù)處理技術來解析這些數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)分析和機器學習算法，構建模型來預測電池的熱失控行為，這些預測模型通過分析歷史氣體分析數(shù)據(jù)與電池熱失控事件的相關性，訓練出能夠預測未來熱失控可能性的算法。如此一來，系統(tǒng)不僅能在電池開始釋放危險氣體時發(fā)出警報，還能在電池熱失控發(fā)生前的早期階段就給出預警，從而允許采取措施避免事故的發(fā)生。這種預測能力極大提高了電池管理系統(tǒng)的前瞻性和安全性。表1展示不同氣體及其與電池熱失控相關性的表格，包括氣體類型、可能釋放的原因及其作為預警信號的有效性評估。

通過這種詳細的氣體監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，結合智能預測技術，新能源汽車的動力電池組可以在熱失控發(fā)生前得到有效的預警，從而顯著提升車輛安全性，這種技術的進步為BMS提供了一個更為全面和高效的安全保障功能，確保了電動車在日趨嚴峻的安全要求面前能夠穩(wěn)妥運行。

4 新能源汽車動力電池組熱管理策略

4.1 分層次主動熱管理策略

新能源汽車動力電池的安全與效率很大程度上依賴于其熱管理系統(tǒng)的效能，在電池管理中，分層次主動熱管理策略是一種先進的方法，旨在通過多級控制手段有效控制電池組的溫度，確保電池在最佳工作溫度范圍內(nèi)運行，從而提高其性能、延長使用壽命并降低安全風險。表2所示為管理策略的具體應用和效果。

電池組由多個電池模塊組成，每個模塊的熱特性可能因為位置、使用條件等多種因素而異。模塊級主動熱管理通過在每個電池模塊上安裝獨立的溫控設備（如風扇、熱管、電加熱器或液冷裝置）來實現(xiàn)精確控制，這種控制策略基于模塊內(nèi)部的溫度傳感器數(shù)據(jù)進行實時調(diào)整，確保每個模塊都能在其最佳溫度范圍內(nèi)工作。例如，如果某個模塊的溫度超過設定的閾值，系統(tǒng)會自動啟動冷卻措施，如增加冷卻液流量或啟動風扇，以快速將溫度調(diào)整到安全范圍。

在系統(tǒng)級別，主動熱管理策略涉及整個電池組的熱狀態(tài)監(jiān)控與調(diào)控，其不僅包括對所有模塊熱狀態(tài)的集中監(jiān)測，還包括對外部熱管理設施的控制，如空調(diào)系統(tǒng)的集成或車輛內(nèi)部的熱交換器。系統(tǒng)級熱管理策略通過算法優(yōu)化，根據(jù)電池的充放電狀態(tài)、車輛的運行環(huán)境和預測的使用模式來調(diào)整熱管理系統(tǒng)的工作，這樣的策略能夠優(yōu)化能耗，提升電池的整體性能和安全性，同時減少維護需求，延長電池的使用壽命。

分層次的主動熱管理策略可以更加有效地應對各種溫度挑戰(zhàn)，確保在各種環(huán)境條件下都能保持最佳的性能表現(xiàn)，這種策略的實施也有助于實現(xiàn)對電池狀態(tài)更細致和個性化的管理，從而在保障電池安全的同時，也極大地提升了電池的經(jīng)濟性和實用性。

4.2 基于模型預測控制的精細化熱管理

基于模型預測控制（Model Predictive Control， MPC）的精細化熱管理策略是一種先進的控制策略，利用實時的數(shù)據(jù)和預測模型來優(yōu)化電池組的溫度控制，精細化熱管理的第一步是建立一個反映電池組熱行為的精確動力學模型，該模型考慮到電池在充放電過程中的熱生成、環(huán)境溫度變化、熱損失以及冷卻系統(tǒng)的影響，研究人員通過對電池內(nèi)部熱源和熱傳遞機制的深入理解，可以建立如下的熱平衡方程：

式中，C為電池的熱容；T為電池溫度；Q為因電池放電產(chǎn)生的熱量；Q為電池到環(huán)境的熱損失；而Q為冷卻系統(tǒng)去除的熱量。這一模型需要根據(jù)實際電池和使用環(huán)境的特性進行定制和校準。

在建立了精確的熱動力學模型基礎上，研究人員需須應用模型預測控制策略來優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的響應，MPC基于當前電池溫度、預測的未來使用條件（如充放電周期、環(huán)境溫度變化等）以及熱模型，預測未來一段時間內(nèi)的電池溫度變化。然后，它計算出最優(yōu)的冷卻策略來最小化溫度偏差、節(jié)能并延長電池壽命。控制目標可以表示為以下優(yōu)化問題：

式中，T為設定的目標溫度；u為控制輸入（如冷卻流量或風扇速度）；T為在時間t的電池溫度；λ和λ為權衡溫度控制與能量消耗的調(diào)節(jié)參數(shù)。通過解決這個優(yōu)化問題，MPC能夠連續(xù)調(diào)整冷卻系統(tǒng)的輸出，以適應電池的實時需求和外部環(huán)境變化。

基于模型預測控制的精細化熱管理策略提高了電池組的熱效率，也通過精確控制電池的工作溫度，顯著提升了電池的安全性和經(jīng)濟性，該策略的實施有助于實現(xiàn)更為智能的電池管理系統(tǒng)，能夠預測并應對復雜的使用場景，使新能源汽車的動力電池組在各種操作條件下都能維持在最佳狀態(tài)。

5 結語

新能源汽車動力電池組的熱失控檢測與熱管理策略是確保新能源汽車高效安全運行的關鍵技術。通過建立多參數(shù)實時監(jiān)測與預警、氣體分析與早期預測等熱失控檢測路徑，研究人員可以及時全面掌握電池組熱態(tài)勢變化，預判熱失控風險。基于此，采取分層次主動熱管理、基于模型預測控制的精細化熱管理等策略，不僅可以防患于未然避免熱失控風險，而且使電池組工作在最佳溫度范圍，充分發(fā)揮性能潛力、延長使用壽命。

這一系列先進技術的創(chuàng)新與應用，為新能源汽車電池熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化提供了堅實的理論基礎和技術支撐，對推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，促進能源轉型和可持續(xù)交通發(fā)展具有重要意義，研究人員需要持續(xù)加強對動力電池組熱管理領域的研究，不斷推陳出新，為新能源汽車的綠色出行貢獻更多創(chuàng)新力量。

參考文獻：

[1]曾祥兵，謝堃，張偉，等.新型動力電池熱管理系統(tǒng)設計及性能研究[J].汽車工程，2022，44（4）：476-481.

[2]孫衛(wèi)鵬，金禮芬，羊松青.新能源汽車大功率充電對電池熱管理系統(tǒng)的影響[J].汽車與新動力，2024，7（4）：28-31.

[3]范晨暉，尹可人.新能源汽車動力電池熱管理系統(tǒng)設計研究[J].汽車測試報告，2024（9）：44-46.

[4]徐文文，王彬.新能源汽車電池熱管理控制系統(tǒng)設計及實現(xiàn)分析[J].時代汽車，2024（12）：122-124.

作者簡介：

周鑫，男，1986年生，講師，研究方向為汽車技術。