滕峻林 申慧君 劉淑香 王競

摘 ? 要：動力電池是純電動汽車的唯一動力源，鋰離子電芯因自身的優(yōu)點已成為目前設(shè)計純電動汽車主要使用的電芯。鋰離子電池的性能受溫度的影響很大，當(dāng)溫度過高或過低時，會減少電池的使用壽命和車輛的續(xù)航里程。文章以純電動汽車鋰離子動力電池包為研究對象，通過對動力電池組產(chǎn)熱機(jī)理的研究，對動力電池包溫度控制方案進(jìn)行設(shè)計。

關(guān)鍵詞：鋰離子動力電池包;熱管理系統(tǒng);方案設(shè)計

動力電池是全地形純電動賽車唯一的動力源，工作性能的好壞直接影響整車的使用性能。目前，全地形純電動賽車使用最多的是鋰離子動力電池，鋰離子電池的性能受溫度的影響很大。當(dāng)溫度過高時，電池組的極化加劇、不可逆物質(zhì)生成加快等，這些副反應(yīng)會減少電池的使用壽命;電池組溫度過低時，會導(dǎo)致電池組內(nèi)阻增加、充放電容量減少等，影響電池的使用壽命和車輛的續(xù)航里程[1]。

因此，通過研究鋰離子動力電池的生熱機(jī)理，優(yōu)化動力電池包的結(jié)構(gòu)，并設(shè)計高效的熱管理系統(tǒng)是非常必要。

1 ? ?鋰離子電池生熱機(jī)理

鋰電池在進(jìn)行充放電時，電子和鋰離子動作過程中產(chǎn)生的熱量稱為反應(yīng)熱，在可逆反應(yīng)中，電池在充電和放電條件下，上述反應(yīng)熱是相等的，符號是相反[2-3]，記為Qr。根據(jù)熵增原理，在實際進(jìn)行充放電時，上述情況是不可能發(fā)生的，所以還會有極化反應(yīng)產(chǎn)生的極化反應(yīng)熱Qp，過充過放引起的副反應(yīng)，電解質(zhì)分解及自放電生成的熱量，記為Qs。電池內(nèi)阻在充放電過程中產(chǎn)生的焦耳熱Qj。在實際的充放電過程中將其生成的熱量記為Qt，則可有如下關(guān)系式：

Qt=Qr+Qp+Qs+Qj （1）

在實際充放電過程，由于電池管理系統(tǒng)作用，會防止電池出現(xiàn)過充、過放的現(xiàn)象，Qs中的自放電因素?zé)崃可闪课⒑跗湮?，故Qs可以忽略不計，另外可以利用等效極化內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量代替極化熱[4]，所以，電池充放電反應(yīng)的生熱量可以做進(jìn)一步簡化：

Qt=Qr+I2R（2）

式（2）中：R=Rz+ Rp，Rz是電池本身的歐姆內(nèi)阻。

電池內(nèi)阻R在充放電過程是不斷變化的，這是因為電池的溫度、電極活性物質(zhì)及電解液的質(zhì)量濃度都在不斷地變化，放電深度的大小決定了在放電過程中電流密度的大小，電流密度的大小很大程度上決定了極化內(nèi)阻的大小，所以可以利用放電深度來表達(dá)電池內(nèi)阻[4]。

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池只有工作在適合的溫度范圍才能使充放電性能、使用壽命、安全性能等最佳。鋰離子電池的最佳工作溫度范圍在25～30 ℃之間[5]，電動汽車使用的環(huán)境溫度一般在-30～60 ℃，所以，對于如何保持鋰離子電池工作在適合的溫度條件下提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 ? ?鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)總體方案設(shè)計

方案中主要的模塊有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電池箱、PTC加熱器、散熱風(fēng)機(jī)、顯示屏、負(fù)載、PTC加熱器、散熱風(fēng)機(jī)等（見圖1）。電池管理系統(tǒng)采集電池箱中的20串單體電池的電壓，用于檢測單體電池的電壓狀態(tài)并計算電池組的電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）、電池剩余電量（State of Energy，SOE）等值，作為間接反映溫度對鋰離子電池工作性能影響的指標(biāo)之一。電池管理系統(tǒng)采集電池箱中4路溫度信號，用于監(jiān)控電池箱內(nèi)溫度變化，當(dāng)溫度過高時起動風(fēng)機(jī)散熱，過熱時切斷電源;當(dāng)溫度過低時，不允許電池充放電起動PTC加熱器對電池加熱;當(dāng)負(fù)載超負(fù)荷時，不允許電池組放電。

3 ? ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖2所示，鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的硬件電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電池箱、電池單體、單體電池和電池組電壓采集模塊、溫度傳感器、散熱風(fēng)機(jī)驅(qū)動模塊、PTC加熱驅(qū)動模塊、散熱風(fēng)機(jī)、PTC加熱器、藍(lán)牙模塊、顯示屏等。

加熱子系統(tǒng)采用PTC加熱，對電池包內(nèi)部的每個串聯(lián)的電池組的上表面、下表面和側(cè)面均鋪設(shè)PTC加熱膜，對于電磁組下表面的加熱器與箱底之間加裝絕緣層，在提高鋰離子單體電池加熱效果的同時保證安全性。

散熱子系統(tǒng)采用并行通風(fēng)和水冷相結(jié)合的混合冷卻方式，能最大程度增加每塊單體電芯的冷卻效率。

4 ? ?系統(tǒng)充放電高溫、低溫控制策略

鋰離子熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)是要實現(xiàn)電池箱溫度的控制，當(dāng)溫度過高時，對電池單體進(jìn)行冷卻，如果溫度持續(xù)升高，不能及時冷卻，則進(jìn)行斷路保護(hù)。當(dāng)溫度過低時，對電池單體進(jìn)行升溫，如果溫度持續(xù)降低，不能及時升溫，則進(jìn)行斷路保護(hù)。鋰離子電池的使用狀態(tài)主要有充電狀態(tài)和放電狀態(tài)，根據(jù)要實現(xiàn)的總目標(biāo)，本系統(tǒng)制定了總體的電池箱高、低溫控制策略，如圖3所示。

5 ? ?結(jié)語

通過研究鋰離子動力電池的生熱機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鋰離子動力電池的熱量主要由4部分組成，即Qr，Qp，Qs，Qj。為了使鋰離子單體電芯工作性能最佳，設(shè)計了鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)總體方案，進(jìn)一步細(xì)化了系統(tǒng)的溫度采集單元、加熱子系統(tǒng)和散熱子系統(tǒng)的硬件設(shè)計，制定了系統(tǒng)充放電高溫、低溫控制策略，電池箱溫度信息采集策略。通過合理的溫度采集點選擇，優(yōu)化的加熱系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了鋰離子動力電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]NOBORU S.Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J].Power Sources，2001（99）：70-77.

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[5]姜久春，王戰(zhàn)國.電動汽車動力電池應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2004.