汽车新能源应用技术

汽车新能源应用技术

学院：

姓名：

学号：

电动汽车锂动力电池组热管理系统设计流程

摘要:纯电动汽车的动力来源于电池组，因此整车性能依赖于锂动力电池组的性能。而锂动力电池性能受环境温度的影响很大，锂动力电池组热管理的目的是控制电池组的温度和实现电池组温度均匀分布，电池组热管理系统的研究与开发对于电动汽车的安全可靠运行有着非常重要的意义。本文首先分析了温度对电池组性能和寿命的影响，概括了电池组热管理系统的功能，介绍了电池组热管理系统设计的一般流程和采用的方法。主要包括电池的选型、最优工作温度范围的确定、电池组的确定、电池生热机理研究、热物性参数的获取、电池组热场计算、传热介质的选择、散热结构的设计、保温加热结构的设计、温度控制策略的设计、软硬件的设计等。

关键词：电动汽车；电池组；热管理系统；设计流程

Abstract: The power of pure electric vehicle is from the battery pack,so the vehicle performance depends on the performance of lithium-ion power battery,the lithium power battery performance is much affected by the environment temperature.The purpose of lithium power battery thermal management is to control the temperature of the battery and battery temperature uniform distribution.Battery thermal management system research and development for safe and reliable operation of the electric vehicles has very important significance.This paper first analyzes the influence of temperature on the battery performance and life,summarizes the function of the battery thermal management system,introduces the general process and methods of the design of battery thermal management system.Mainly includes the selection of the battery,the determination of the optimal operating temperature range, battery heating mechanism research, thermal physical property parameters,battery thermal field calculation, the selection of the heat transfer medium,heat insulation structure design, structure design of heating,the design of the temperature control strategy, software and hardware design, etc.

Keywords: EV;battery pack;thermal management system;design flow

0 引言

随着全球的能源日益枯竭以及环境污染问题越来越严重，传统的内燃机汽车的发展面临着前所未有的挑战。各国政府、各大汽车企业、各种科研机构也纷纷投入巨大的人力和物力来研究内燃机的替代能源和动力，这大大促进了电动汽车的发展。

纯电动汽车的动力来源于电池组，因此整车性能依赖于锂动力电池组能否发挥其最大的性能。锂动力电池性能受环境温度的影响很大，温度对锂动力电池性能的影响主要表现为温度高低和温度分布均匀性。当锂动力电池长期在高温环境下工作，电池内部产生不可逆反应物，加快电池循环使用寿命衰减，当温度达到电池材料燃点时，导致电池组起火；当锂动力电池在低温下工作时，电池的内阻会随着温度的降低而升高，可用容量下降。因此，对锂动力电池组进行有效地热管理不仅可以提高电动汽车的动力性和经济性，还能防止整车行驶过程中因锂动力电池组故障引发的安全问题。

电池组热管理系统有如下5项主要功能：（1）电池温度的准确测量和监控；（2）电池组温度过高时的有效散热和通风；（3）低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；（4）有害气体产生时的有效通风；（5）保证电池组温度场的均匀分布。

1电池组热管理系统的设计流程

1.1 热管理系统的目标和要求的确定

1)电池类型的确定。考虑整车的动力性能要求以及整车的运行气候环境（比如

在温度较高的南方或者是在温度较低的北方），从现有的电动汽车用电池（铅酸电池、氢镍电池和锂离子电池）中选出一种电池来作为动力电池。

2)电池数目和串并方式的确定。根据不同类型的车辆（如EV、并联HEV、串联

HEV）的电机及发动机的功率分配，利用软件来进行动力学仿真，计算出所需要的总数。然后根据电压和电流需求进行分析，得出几串几并的排列方式，同时考虑是否采用模块化进行管理。

3)电池摆放位置和形状的确定。结合车上可装载电池的有效空间，基于有利于

散热的原则初步进行电池的摆放和电池总体形状的设计。由于空间有限，一般选择底板放置，而此处受环境影响较大，需要有效的电池热管理。

4)电池最优工作温度范围的确定。最优的工作温度范围可以由电池制造者提

供，也可以由电池使用者通过实验来确定。一般来说，铅酸电池效率和最大运行功率在-26℃～65℃范围内增加；氢镍电池电池的工作运行范围应该在0℃～40℃之间；锂动力电池工作运行范围应该在20℃～30℃。

1.2 电池的结构原理及生热机理的研究

对电池的内部结构，化学反应原理进行研究。然后确定电池的生热机理，比如锂离子电池，它的生热量来源于下面四部分：化学反应热、极化产热、副反应热和焦耳热，锂动力电池副反应几乎没有，所以，锂动力电池主要是化学反应热、极化热和焦耳热。当锂动力电池温度达到70～80℃时，锂动力电池总生热量几乎全部来源于反应热；在70～80℃下放电时，锂动力电池总的生热量大部分来源于焦耳热。

1.3 电池热物性参数的获取

1)电池的生热速率的计算。

车辆在不同的运行状态下，电池工作状态不同，生热速率也不同。电池产生的热量主要取决于电池的类型、电池的工作状态（充电/放电）、电池的荷电状态（SOC）以及环境温度条件等。

工程应用中准确获取电池单位体积生热速率q表达式比较困难，这是求解电池温度场的难点所在。目前主要有理论计算和实验两种方法得到q。Bernadi假设电池生热在电池体内均匀分布，建立了一种典型的电池生热模型。

是电池单体体积；I 是充放电电流（A），充电为正，放电为负；E 式中，V

b

为电池开路电压；T 是温度；dE0 / dT 是温度系数(V/ K）；是电池单体电压；E

/ dT 分别表示焦耳热部分和可逆反应热部分。

（ E-E0）,TdE