电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现

原稿 收到 日期 为 ２ ０ １ ４年 ６月 ３日， 修改稿收到 日期为 ２ ０ １ ４年 ８月 ３ １日。
李军求 ， 等： 电动汽车动力 电池热管理技术 的研究与实现
．２ ３．
性能模 型和热分析模型结合 ， 采用仿真与实验手段 ，
得到 的热 管理设 计 流程如 图 １所示 。
１ ７ ℃， ４ ｃ充电时温升可达 ｌ ４ ℃， 因此 ， 高温环境下大 倍率充放电时更须散热 。
ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗｉ ｔ ｈ Ｐ ＴＣ ｈ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ａ ｉ ｒ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ．Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ｅ ｐ ｅ ｆｏ ｒ ｍｅ ｒ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ — ｔ ｉ ｃ ｓ ｉ ｎ ｈ ｅ ａ ｔ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｈ ｅ ａ ｔ ｄ ｉ ｓ ｓ ｉ ｐ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｉ ｎ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｌ ａ ｗ ｒｅ ａ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ．Ｆ ｉ ｎ ｌｌ ａ ｙ，ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｒ ｌ ｍａ ｎ ａ ｇ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｒ ｅ ｖ ｅ ｉ ｒ ｉｅ ｆ ｄ ｂ ｙ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉｍｅ ｒ ｎ ｔ ｓ ． Ｋｅ ｙｗｏ ｒ ｄｓ ：ＥＶ ；ｌ ｉ ｔ ｈｉ ｕｍ － ｉ ｏ ｎ ｂａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ；ｂａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ｍａ ｎａ ｇ ｅ ｍｅ ｎ ｔ； ｈｅ ａ ｔ ・ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｄ ｅ １
子 电池 为研究 对 象 ， 实验 分 析 电池 温 升 特 性 和 低 温
３ ． ４ ３ ２ ３ ０
性能 ， 并进行 电池性能模型适应性研究。
２ ． １ 锂 离子 电池 不 同充放 电倍 率温 度特 性
放电容量／ （ Ａ ． ｈ ）
将电池置于常温下 ， 充满 电后采用 不 同倍率持
量 特性 。
４ ２
图２ 电池热分析仿真方法
２ 锂 电池温度适应性与性能模 型
锂 离子 电池低 温环 境下 放 电倍率 和 可 释放 的容
４ ０ ＞ ３ ． ８
电 电 电
髻３ ６
Ｕ
量显著降低 ， 而大倍率放电时温升较大 ， 是其温度适 用性 面 临 的主要 问题 。以某 型 ３ ５ Ａ・ ｈ铝 塑 膜锂 离
电池对 温度 的适 应性 成为 制约 其在 电动汽 车应 用 的
日 Ｊ吾 Ｉ
关 键 因素之 一 ， 同时 也 使 电池 热 管 理 技 术 成 为 保 证 电池性 能 、 使用 寿 命 和 安 全 性 的 关 键 技 术 。本 文 中 开展 了 电池 热管 理设 计 流程 和 电池 热 分析 建模 方 法 的研究 ， 用 于指 导强 制 风冷 和 Ｐ Ｔ Ｃ加 热 的 电池 热 管
［ 摘要 ］ 为改善 电动汽车辆动力 电池 的性能 ， 尤其 是高 低温适应 性 ， 基于 电池性能模 型提 出 了电池 热管理 系 统设计流程 ， 实验分 析了锂离子电池温升 、 低温性 能和电池性能模 型的适应性 ， 运用 电池热 电耦合 和热传 导理论 提 出了电池热分析建模方法 ， 并 应用于 Ｐ Ｔ Ｃ加 热和强制风冷的电池热管理 系统设计 ， 仿真得 到了 电池生热 、 散热 和加
率密度和使用寿命等方 面具有较强优势 ， 成 为 目前 车用动力电池的主流 ， 但其性能 、 寿命和安全性均与 环境温度密切相关 。温度过高 ， 会 加快 电池 副反应 的进行和性 能的衰减 ， 甚至引发安 全事故 ； 温度 过 低， 电池释放的功率和容量会显著 降低 ， 甚至引起 电
动力电池作为 电动汽车主要储能形式 ， 其性能
的发挥 直接 制 约 了 电动 汽 车 动 力 性 、 经 济 性 和 安 全 性 。锂 离子 电池 相 比其他 类 型 电池 ， 在能 量密 度 、 功
理方案设计 ， 并通过仿真与实验 ， 对 电池热分析模 型
正确 性和 热管 理方 案有 效性 进行 了验证 。
Ｃ Ｏ ＭＳ Ｏ Ｌ 求解
２ ． ２ 锂 离子 电池低 温环 境 下充放 电性 能
电池物性参数 、生热 率、初始 、边界条件
将 电池放置在恒温箱中用于模拟 电池不 同环境 温度 ， 静止 ８ ｈ 后， 以不 同倍率进行充放电， 图 ５和图
６为 电池 ２ ｃ充 放 电 时 ， 不 同温 度 下 电池 的 电压 一 容
汽
车
工
程
２ ０ １ ６年 （ 第３ ８卷） 第 １期
Ａｕ ｔ ｏ ｍｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅｎ ｇ ｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０１ ６ ０ ０ ４
电动 汽 车 动 力 电池 热 管 理技 术 的研 究 与实 现 冰
李军 求 ，吴朴 恩 ，张承 宁
（ 北京理工大学机械 与车辆学院， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
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０ ２ ０ ０ ０ ４ ０ ０ ０ ６ ０ ０ ０ ８ ０ ０ ０１ ０ ０ ０ ０１ ２ ０ ０ ０１ ４ ０ ０ ０
有限 元分 析模
型
划 分网格
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时间／ ｓ
图 ４ 不 同倍率充 电电池单体平均温升 曲线
蓥， ｏ
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２ ５
时间／ ｓ
图１ 电池热管理设计 流程
图 ３不 同倍率放 电电池单体平均温升 曲线
电池 热管 理设 计理 论基 础是 电池 性 能模 型 和 电 池热 分 析 模 型 。 电 池 性 能 模 型 可 模 拟 电池 工 况 特 征， 获 得 电池热 模 型的输 入 ； 电池 热分 析模 型 可 获得 电池 组温 度分 布 特 征 ， 评估 电池 热 管 理 系 统 设 计 的
３ ６ ３ ４
合理性。在电池热管理仿真分析过程 中， 常采用有 限元分析软件 ， 进行几何形 状构建 、 边界定义 、 网格
生成 和求解 器 求解 Ｊ ， 方法 如 图 ２所 示 。
２ 。
Ｈｙ ｐ ｅ ｒ ｍｅ ｓ ｈ 、
wenku.baidu.com
ｌ ８
电池 传热 形式
电池 导热 数学 模 型
续放 电 ， 可得 温升 曲线 ， 如 图 ３所 示 ； 电 池放 空后 以
图 ５ 不同温度 ２ ｃ放 电电池特性
实验表明， 电池充放 电倍率、 电压平 台和放电容 量伴随温度降低而降低 ， 例如一 ３ ０ ￣ ｅ 不能实现 ２ ｃ放 电， 一 ２ ０ ℃时容 量减 少 ２ ０ ％， 充 电表 现更 为 明显 ， ０ ｃ ｃ 才能 ２ Ｃ充 电， 仅能达到 ５ ０ ％容量 ， 因此 ０ ℃以下时， 电池须加热才能提升其性能。
ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｒ ｌ ｍａ ｎ ａ ｇ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｙ ｒ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｅ １ ．
不同倍率进行恒流一 匣压充 电， 可得温升 曲线 ， 如图
４所 示 一 。
实验表 明， 锂离子电池不论充 电还是放电 ， 温升 伴随倍率的增 大而增大 ， ４ ｃ放 电时， 电池温升可达
ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｂａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｖｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ
Ｌｉ Ｊ ｕ ｎ ｑ ｉ ｕ ．Ｗ ｕ Ｐ ｕ ｅ ｎ ＆ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｃｈ ｅ ｎ ｇ ｎ ｉ ｎ ｇ
Ｅｘ ｐ ｅ ｉｍｅ ｒ ｎ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｒｅ ｕ ｉｓ ｒ ｅ ｎｄ ａ ｌ ｏ ｗ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｒｅ ｕ ｐ ｅ ｆｏ ｒ ｍａ ｒ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｌ ｉ ｔ ｈ ｉ ｕ ｍ— ｉ ｏ ｎ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｙ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ ｐ ｅ ｆｏ ｒ ｍａ ｒ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｅ １ ．Ｂｙ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｉｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｒ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉｃ ｒ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｉ ｎ ｂ ａ ｔ －
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热 的电池温度特性及影 响规 律 ， 最后通过实验验证 了建模方法 的正确性 和热 管理系统的有效性 。
关 键词 ： 电动汽 车 ； 锂 离子 电池 ； 电池 热 管理 ； 生热模 型
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ａ ｎ ｄ Ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ Ｍａ ｎ ａ ｇ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
［ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ］ Ｔ ｏ ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ， ｉ ｎ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ａ ｌ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｉ ｒ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ｖ ｅ —
Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＭｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂｅ ｆ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ １
池容 量不 可逆 衰减 ， 并埋 下 安全 隐 患 。 因此 ， 锂 离 子
国防预研项 目（ １ ０ ４ ０ １ ０ １ ０ ８ ） 资助 。
１ 电池热管理设计 流程和仿 真方 法
在 电池 热管 理 设 计 方 面 ， 美 国 国家 可 再 生 能 源 实 验室做 了大量研 究 。本 文 中在其 基础 上将 电池