新能源汽车动力电池热管理系统

分类：自动化论文发表 时间：2022-05-20 09:54 关注：(1)

　　文章提出了一种可以有效控制动力电池工作温度的热管理方案。根据外界环境温度，采用空调制冷系统对导热介质强制制冷，或采用PTC作为加热模块，强制对导热介质进行加热，通过管路的热交换确保电池箱处于最佳的工作温度，既提高了电池箱充放电的稳定性、安全性，也延长了电池的循环寿命。

　　关键词新能源汽车；动力电池；热管理

　　随着社会的发展、科技的进步，新能源汽车凭借节能环保等特点，已得到广泛的推广和使用，动力电池作为其动力源，直接影响到新能源汽车整体性能。动力电池通过自身电化学反应，锂离子在电池正负极之间移动从而形成电池的充放电。自身的电化学反应会放出热量，从而导致温度上升，而温度升高会影响动力电池的很多工作特性参数，如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率、电池一致性和电池循环寿命，甚至热失控引起电池着火。动力电池的工作温度也会间接影响到新能源汽车的续驶里程、最高车速和加速性能。当新能源汽车处于高速行驶时，驱动电机需要动力电池提供足够大的电流。过低的环境温度，会使动力电池的放电电流受到限制。动力电池理想的工作温度是25~55℃，过高或过低的工作温度都会严重影响动力电池的性能，所以高效的热管理系统对动力电池的性能、循环寿命乃至车辆的续驶里程都十分重要，因此需要在高温和严寒条件下，对动力电池系统进行冷却和加热。目前，由于电池技术的限制，动力电池高温热失控，以及低温下充放电性能受限等问题，一直影响着动力电池的应用与发展，同时也是制约新能源车辆推广运营的主要因素[1-2]。本文通过研究动力电池的特性，结合现有技术，提出了一种可以有效控制动力电池工作温度的热管理方案。

　　1动力电池热管理系统构成

　　本文的动力电池热管理系统主要包含动力电池系统、制冷模块、加热模块、膨胀水箱、水温传感器、三通。动力电池系统包括动力电池包1、动力电池包2、BMS控制器。制冷模块包括空调机组、水泵、TMS控制器。加热模块包括PTC和加热器控制器，PTC是正温度系数的电阻丝。动力电池包1出水口通过三通1与动力电池包2出水口连接，动力电池包1进水口通过三通2与动力电池包2进水口连接。制冷模块通过三通3与动力电池系统连接。维修球阀通过三通3与动力电池系统连接。水温传感器通过三通2与动力电池系统连接。动力电池热管理系统构成如图1所示。

　　2动力电池热管理系统的控制方式

　　热管理循环回路：膨胀水箱→三通3→空调机组→水泵→PTC→水温传感器→三通2→动力电池包1、动力电池包2→三通1→三通3→膨胀水箱。新能源汽车钥匙打到ON档时，BMS控制器开始采集动力电池包1、动力电池包2内的所有电芯温度。当电芯最高温度Tmax≥37℃，BMS控制器发报文给TMS控制器，TMS控制器接收报文后，发送“制冷”指令给空调机组、水泵，水泵、空调机组（压缩机）开启，通过内部的制冷剂（R134a等）对冷却液水温进行冷却，压缩机开启的设定目标水温T=18±1℃，并根据当前水温实时调节压缩机功率。当电芯最高温度Tmax处于32~37℃之间时，BMS控制器发报文给TMS控制器，TMS控制器接收报文后，发送“自循环”指令给水泵，水泵开启，空调机组（压缩机）关闭，冷却管路在水泵的作用下处于自循环模式。当Tmax＜32℃，BMS控制器发报文给TMS控制器，TMS控制器接收报文后，发送“关机”指令给水泵，水泵关闭，动力电池通过自身壳体与外界环境进行散热。当电芯最低温度Tmin处于12~15℃之间时，BMS控制器发报文给TMS控制器，TMS控制器接收报文后，发送开机指令给水泵，同时转发报文给加热器控制器，加热器控制器发送“加热”指令给PTC，水泵、PTC开启，冷却液设定目标水温T=40±1℃，开始对冷却液进行加热，热量经过动力电池包1、动力电池包2内部，实现电池包加热。

　　3热管理系统选型

　　热管理系统需满足动力电池正常工作所需的制冷需求，即制冷机组制冷功率等于动力电池发热功率。本文以某款混合动力客车为基础进行动力电池热管理系统设计与应用搭载，车辆基本参数如表1。计算动力电池的制冷功率，需用到电池单体的生热率，目前用得比较多的是美国加州大学伯克利分校D.Bernardi的电池生热率模型：q=(I2R0-I⋅TdE0dT)/Vb（1）式中：q——电芯的生热率，W/m3；I——电芯放电电流，A；R0——电芯内阻，Ω；TdE0dT——电芯电化学特性的物理量，一般为常量，本文为11.16×10-3V；Vb——电芯电池体积，m3。Vb电芯电池体积为：Vb=174×48×13×10-9=1.11×10-9m3（2）单体电池生热率为：q=2502×0.73×10-3-250×11.16×10-31.11×10-9=38561W/m3（3）动力电池包散热功率按式（4）计算：Pb=q⋅n⋅Vb（4）式中：Pb——动力电池包散热功率，W；q——电芯的生热率，W/m3；n——动力电池包电芯数量，个；Vb——电芯电池体积，m3。经计算，得：Pb=3856×100×1.11×10-9=4283.5W（5）即电池所需制冷功率为4283.5W，参考常见压缩机制冷功率，最终选择制冷功率为4.5kW的压缩机。动力电池的加热功率按式（6）计算：PPTC=C⋅m⋅(Tout-Tin)/T（6）式中：PPTC——动力电池的加热功率，W；C——冷却液比热容，J/（kg·℃）；m——冷却液质量，kg；Tout——电池冷却液出水温度，℃；Tin——电池冷却液进水温度，℃；T——电池冷却液加热时间，s。常用的电池冷却液为50%的乙二醇溶液，容量为5L，其比热容为3300J/（kg·℃），25℃密度为1071.11kg/m3，电池冷却液出水温度为25℃，电池冷却液进水温度为0℃，加热时间为90s。经计算，得：PPTC=3300×5×1071×(25-0)/1000/90=4908.75W（7）参考常见PTC电加热功率，最终选择电加热功率为5kW的PTC。综上计算，热管理系统的设计参数如表2所示。质散热，这种散热手段有一定的局限性，受环境温度影响大，当环境温度过高时，导热介质的温度无法迅速下降，温度可控性较低。电池系统加热也大都采用在电芯表面粘贴加热膜进行加热，加热膜的加热效率低，而且会导致触电风险增大，故障率也会跟着增加[3]。本文的动力电池热管理系统采用空调制冷系统对导热介质强制制冷，不受环境温度影响。同时采用PTC作为加热模块，强制对导热介质进行加热。整套系统内含控制系统，通过在循环水路设置水温传感器，采用智能化控制，可以精确的将水温控制在设定区间，从而保证电池处于高效的工作温度。空调制冷系统集成安装在一个箱体内部，集成度较高，基本上可以在不影响整车空间的情况下搭载应用，安装便捷，可维护性高。动力电池热管理系统主要以电池箱的进水温度为设计目标，通过将导热介质的温度控制在恒定的温度区间内，进而为电池箱输入最佳温度状态的导热介质，以确保电池箱处于最佳的工作温度，既提高了电池箱充放电的稳定性、安全性，也延长了电池的循环寿命，根据上述热管理循环回路，其设计连接图如图2所示。

　　4结束语

　　本文提出的动力电池热管理系统，是在现有空调系统技术基础上的进一步改进，系统的零部件技术都较为成熟，性能稳定，可靠性高。动力电池热管理系统的控制器是基于整车控制技术进行研发设计，硬件和软件设计均已多次优化，经反复试验，其具有较强的控制精度和稳定性。动力电池热管理系统主要功能是控制导热介质的输出温度，因此适用于插电式混合动力客车、快充型纯电动客车或燃料电池客车等新能源车辆的动力电池热管理。本系统在应用推广之前，经过了样车搭载，而且车辆进行了多种工况的试验验证，整个试验过程中，动力电池充放电正常，电池温度保持在预设的温度范围内，整车性能稳定、未出现故障，安全性高。

　　参考文献：

　　[1]卢臣.新能源汽车电池技术存在的问题及对策[J].南方农机，2020，51（14）：169-170.

　　[2]王帅，韩伟，陈黎飞，等.锂离子电池健康管理问题研究综述[J].电源技术，2020，44（6）：920-923.

　　[3]张万良.锂离子动力电池低温加热模型的研究[J].电池工业，2020，24（2）：75-79.

　　作者:胡伟钦

　　来源于《机电技术》