[摘要] 隨著新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展,我國(guó)動(dòng)力電池系統(tǒng)的市場(chǎng)也開始發(fā)力,并且逐步進(jìn)入一種狂熱狀態(tài)。動(dòng)力電池熱管理是影響電動(dòng)汽車電池效能的重要因素,保持新能源車用動(dòng)力電池在適宜的溫度下工作能夠有效的提高新能源汽車的續(xù)駛里程、動(dòng)力電池使用壽命、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,提高整車的安全性和可靠性,因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是新能源汽車設(shè)計(jì)與研究中的最重要問題之一?；诖?本文重點(diǎn)就新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行研究分析,僅供參考。 

1 新能源汽車動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢(shì) 

我國(guó)是世界上最大的新能源汽車生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),在全球新能源電池市場(chǎng)上也占據(jù)重要位置,這些為我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好條件。從總體上看,我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池呈現(xiàn)出智能化、規(guī)模化、合作化的發(fā)展趨勢(shì),發(fā)展勢(shì)頭也比較好。

首先,技術(shù)智能化。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展,各個(gè)行業(yè)都呈現(xiàn)出智能化的發(fā)展趨勢(shì),同樣汽車動(dòng)力電池技術(shù)也逐步走向智能化,電池研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)及銷售等都呈現(xiàn)出智能化特點(diǎn),比如在汽車動(dòng)力電池制造中可以用機(jī)器代替人力,提高工業(yè)生產(chǎn)效率,降低企業(yè)的人力成本。在汽車動(dòng)力電池測(cè)試、維修、使用等過程中都可以使用智能技術(shù),提高動(dòng)力電池的智能化程度。

其次,規(guī)?；a(chǎn)。當(dāng)前許多汽車廠商都面臨著電池成本過高的問題,所以有效降低動(dòng)力電池制造成本成了動(dòng)力電池發(fā)展的重要方向。當(dāng)前降低電池制造成本的方式有兩種：

一是以嶄新的技術(shù)提高電池的質(zhì)量及壽命,以此降低動(dòng)力電池成本；

二是以規(guī)?；a(chǎn)的方式降低單位產(chǎn)品的成本,從整體上降低電池成本；

三是推動(dòng)電池回收技術(shù)發(fā)展,建立完整的動(dòng)力電池回收產(chǎn)業(yè)鏈,提高動(dòng)力電池回收效率。此外,合作化發(fā)展。

從總體上看新能源汽車動(dòng)力電池是一個(gè)涉及原材料生產(chǎn)、技術(shù)研發(fā)、規(guī)?；a(chǎn)等多方面內(nèi)容的復(fù)雜系統(tǒng),許多整合生產(chǎn)鏈、資金鏈、技術(shù)鏈等,建構(gòu)合作共同、共同開發(fā)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。比如在動(dòng)力電池生產(chǎn)領(lǐng)域,可以支持中小型企業(yè)的發(fā)展,讓相關(guān)中小企業(yè)都能夠參與到電池生產(chǎn)活動(dòng),進(jìn)而形成完整的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈；在技術(shù)研發(fā)中要充分發(fā)揮高校、高科技企業(yè)、科研院所的技術(shù)優(yōu)勢(shì),建構(gòu)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化體系。 

2 動(dòng)力電池分類 

動(dòng)力電池有很多種類,常用的有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池,除了這些之外還有空氣電池、鎳鎘電池、鈉硫電池等。隨著全世界對(duì)各國(guó)的能新能源汽車的政策傾斜,對(duì)動(dòng)力電池也越來越關(guān)注,鋰電池在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中,發(fā)揮了十分重要的作用,在電子、電氣、各種通訊設(shè)備應(yīng)用極廣。鋰離子電池具有工作范圍廣、無記憶效應(yīng)、壽命長(zhǎng)、放電率低、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。 

3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作用 

由于電池性能、壽命和安全性均與環(huán)境溫度密切相關(guān)。環(huán)境溫度過高,會(huì)加快電池不良反應(yīng)的進(jìn)行和性能的衰減,更嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)燃燒、火災(zāi)、爆炸等安全事故；環(huán)境溫度過低,電池工作性能會(huì)下降,甚至引起電池容量不可逆衰減,影響電池使用壽命。因此,保持電池在適當(dāng)溫度下工作才能盡可能多的發(fā)揮電池的性能。為加強(qiáng)對(duì)電池動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和管理,以起到保護(hù)電池、延長(zhǎng)電池使用壽命的目的。在電池制造時(shí)需要應(yīng)用電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)。

電池管理系統(tǒng)共分為7個(gè)主模塊,用以實(shí)現(xiàn)：監(jiān)測(cè)電池動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、均衡控制、安全監(jiān)測(cè)、熱管理、故障診斷與監(jiān)測(cè)、整車通訊、充放電管理等7項(xiàng)功能。其中熱管理模塊通過對(duì)電池組溫度的監(jiān)控,采取相應(yīng)的控制方式,控制電池組溫度,使其保持在適宜的溫度下工作。對(duì)于鋰電池來說,正常工作溫度范圍在-20℃-50℃之內(nèi)。為保持電池在事宜的溫度下工作,電池的熱管理系統(tǒng)需分別設(shè)計(jì)高溫下電池冷卻和低溫下電池加熱兩項(xiàng)功能。

4 電池?zé)峁芾淼默F(xiàn)狀 

通常來說,溫度對(duì)動(dòng)力電池的性能影響比較大,溫度較低的時(shí)候,電池內(nèi)阻較大,容量也變小,充電和放電的能力也變差；在溫度較高的時(shí)候,一些電池原料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),比如燃燒或者爆炸。如果電池包里面的電池每個(gè)點(diǎn)的溫度分布不均勻,那么單體之間的差異性也比較大,這就會(huì)影響到電池包的性能,而且對(duì)電池的壽命也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因此,對(duì)電池包的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究,是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。 

在國(guó)內(nèi),很多鋰電池?zé)岱治龆疾粫?huì)對(duì)電池在使用過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,一般都只分析鋰電池的高溫或者低溫時(shí)的穩(wěn)定性能,不知道電池為何會(huì)溫度升高。一般來說,動(dòng)力電池的運(yùn)行環(huán)境都很差,常常處于一個(gè)大電流的充放電狀態(tài),如果不把電池SOC以及充放電電流結(jié)合起來對(duì)電池的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析,那么就不會(huì)得到電池組的正確溫度分布。所以,對(duì)這些方面的研究還需要進(jìn)一步進(jìn)行深入。而國(guó)外對(duì)這些方面的分析相對(duì)就非常多了,而且開始的時(shí)間也比較早。國(guó)外通常研究的是鋰電池和鎳氫電池比較多,其研究方法也大多類似。

研究鋰電池一般按照幾個(gè)模型進(jìn)行分析,分別是電化學(xué)-熱耦合模型、熱濫用模型和電-熱耦合模型,而鋰電池的熱特性分析通常使用熱濫用模型。這些研究分析模型都對(duì)應(yīng)著不同的分析范圍,不同的研究要求和研究條件就要選用不同的分析模型,這些模型的分析結(jié)果也不太相同,主要表現(xiàn)在分析結(jié)果的精度和可靠度上。

混合動(dòng)力汽車為提高能源利用率,可依照運(yùn)行的策略來設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的能量回收,如果電池處于一個(gè)大電流充電的狀態(tài)下,很可能會(huì)發(fā)生過充現(xiàn)象。這時(shí),風(fēng)扇如果能帶走大部分熱量或者這種狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng),電池包中的電池溫度不高,那么過充只有電解液的分解,這個(gè)時(shí)候電池還是安全的。可是,電池的散熱性能如果不好的話,那么金屬氧化物的正極就會(huì)發(fā)生脫鋰現(xiàn)象,化學(xué)活性變強(qiáng),電池溫度繼續(xù)升高,如果持續(xù)的時(shí)間過長(zhǎng),就會(huì)使電池發(fā)生熱失控。 

5 新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究

5.1高溫下電池冷卻系統(tǒng) 

電池工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象,其熱量主要取決于電池的工作電流及電池本身的化學(xué)特性。在電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量達(dá)到峰值,動(dòng)力電池在充放電時(shí)由于放電電流大,產(chǎn)生大量的熱,如果熱量不能及時(shí)散發(fā)出去就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池性能下降,甚至引發(fā)燃燒和爆炸,影響動(dòng)力電池的使用壽命和安全性。

按照冷卻介質(zhì)的不同,可將電池冷卻系統(tǒng)分為氣體式、液體式和相變材料式。

氣體式冷卻即為常說的風(fēng)冷,分為串行和并行兩種散熱方式,其中串行風(fēng)冷節(jié)約空間、易于設(shè)計(jì),但散熱不均勻、容易導(dǎo)致電池組溫度不一致,而采用并行風(fēng)冷散熱方式可以使流過各個(gè)電池模塊的表面空氣量基本相同,散熱效果和電池模組間溫度一致性較串行式風(fēng)冷散熱效果好。豐田Prius混合動(dòng)力汽車采用的即為風(fēng)冷式散熱系統(tǒng),該系統(tǒng)需配備電動(dòng)風(fēng)扇,配合加速風(fēng)的流動(dòng)性。 

液體式冷卻即為常說的水冷系統(tǒng),由于空氣傳熱效果不明顯,所以相較于空氣式冷卻系統(tǒng),液體式冷卻效果更為顯著,液體式冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。根據(jù)電池是否直接和冷卻液接觸,可將電池液體式冷卻分為間接式水冷系統(tǒng)和直接式水冷系統(tǒng),間接式水冷系統(tǒng)是用高導(dǎo)熱性的部件將液體和冷卻液隔離開,對(duì)冷卻液體絕緣性要求較低,且成本低。 

而直接式水冷系統(tǒng)是將電池直接浸入冷卻液中,與冷卻液直接接觸,導(dǎo)熱性能最好,但對(duì)冷卻液絕緣性要求高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,不方便維修和保養(yǎng)。特斯拉純電動(dòng)汽車及奧迪Q5混合動(dòng)力汽車均采用間接式水冷系統(tǒng)。相變材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程中會(huì)吸收大量熱量,可以應(yīng)用此性能對(duì)電池進(jìn)行散熱。相變材料式冷卻系統(tǒng)是將電池組置于相變材料中或?qū)⑾嘧儾牧蠅褐瞥砂鍓K,再將其安插在電池模組里,是利用材料的相變潛熱能實(shí)現(xiàn)電池?zé)崮艿膫鬟f。相較于氣體式冷卻和液體式冷卻,采用相變材料對(duì)電池進(jìn)行熱管理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本更低,熱管理系統(tǒng)冷卻部件較少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無需動(dòng)力電池輸出額外的能量。 

5.2低溫下電池加熱管理系統(tǒng) 

動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)電池容量下降、充放電電流小甚至無法充放電的現(xiàn)象,為保證電動(dòng)汽車在北方冬季低溫環(huán)境下能夠正常使用,在低溫啟動(dòng)時(shí)需要對(duì)電池組進(jìn)行加熱。根據(jù)加熱方式的不同,低溫環(huán)境下電池加熱可以分為常規(guī)空氣加熱式、電加熱式、相變材料加熱式等。常規(guī)空氣式電池加熱系統(tǒng)指的是在電池模組間預(yù)留風(fēng)道,通過風(fēng)扇將熱空氣輸送到風(fēng)道中與電池進(jìn)行對(duì)流換熱。熱空氣可以從電機(jī)散發(fā)出來的熱量或車內(nèi)大功率的電器加熱中獲??；混合動(dòng)力汽車還可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)加熱空氣,這種加熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造和運(yùn)行成本低,但在較低溫度啟動(dòng)工況下加熱效果不好。

相變材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過程中釋放存儲(chǔ)的熱量,可應(yīng)用此特性對(duì)電池進(jìn)行加熱和保溫,應(yīng)用相變材料轉(zhuǎn)變的形態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的特性將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車熱管理上,既能保證低溫下對(duì)電池加熱的要求,又能保證高溫下對(duì)電池冷卻。但相變材料導(dǎo)熱性較低,需要加入高導(dǎo)熱材料如膨脹石墨、碳納米管等增加其導(dǎo)熱能力,增加了設(shè)計(jì)和制造的成本。

電加熱式是利用具有一定電阻的導(dǎo)體通電后產(chǎn)生的焦耳熱來加熱電池組的一種方式,電加熱可以分為直流電加熱和交流電加熱兩種。直流電加熱方式在加熱過程中所產(chǎn)生的大電流和低溫環(huán)境下的巨大內(nèi)阻會(huì)使電解液過度氣化,使電池內(nèi)部壓力過大,嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生爆炸；交流電加熱方式由于其交流電特性,可以有效防止氣體的產(chǎn)生。電加熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加熱速率快、適用性好,是現(xiàn)階段電動(dòng)汽車加熱系統(tǒng)的主要研究方向。 

6 新能源汽車動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì) 

6.1動(dòng)力電池管理軟件系統(tǒng)剩余電量估算優(yōu)化設(shè)計(jì) 

剩余電量估算是現(xiàn)代新能源汽車動(dòng)力電池軟件管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要工作內(nèi)容,只有做到文件管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)掌握了解到汽車動(dòng)力電池的實(shí)際放電狀況,才可以為新能源汽車用戶正確反映動(dòng)力電池使用情況,確保其能夠及時(shí)為汽車動(dòng)力電池進(jìn)行充電,避免新能源汽車系統(tǒng)在低電量下持續(xù)運(yùn)行。在新能源汽車動(dòng)力電池運(yùn)行使用過程中,電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng),就比如水與氧氣之間的循環(huán)轉(zhuǎn)換,一旦動(dòng)力電池運(yùn)行情況不夠良好,就會(huì)造成汽車動(dòng)力電池較為嚴(yán)重的損傷。

因此,為了完成對(duì)店動(dòng)力電池剩余電量的科學(xué)估算,相關(guān)工作人員需要采用先進(jìn)的軟件系統(tǒng),確保軟件系統(tǒng)鋪?zhàn)降降男畔⒛軌蚺c汽車動(dòng)力電池保持一致。工作人員要優(yōu)化設(shè)計(jì)動(dòng)力電池軟件系統(tǒng),賦予其靜態(tài)學(xué)習(xí)功能,促使軟件管理系統(tǒng)能夠結(jié)合動(dòng)力電池實(shí)際運(yùn)行使用情況,科學(xué)完善數(shù)據(jù)庫,這樣就可以完成對(duì)動(dòng)力電池平均電耗量、電池壽命以及供電時(shí)長(zhǎng)的有效估算。

新能源汽車動(dòng)力電池剩余電量也會(huì)受到溫度的影響,工作人員要通過加強(qiáng)對(duì)管理系統(tǒng)軟硬件之間的結(jié)合,有效將硬件系統(tǒng)中溫度計(jì)準(zhǔn)確探測(cè)到電池溫度數(shù)據(jù)傳遞到軟件管理系統(tǒng)中,然后基于溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行電池剩余電量的估算,這樣一來就能夠避免動(dòng)力電池因?yàn)檫`規(guī)操作產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷情況,有效延長(zhǎng)新能源汽車動(dòng)力電池的正常使用壽命。 

6.2系能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)軟件與硬件的融合設(shè)計(jì) 

相關(guān)技術(shù)人員要嚴(yán)格按照新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)實(shí)際采用的硬件裝置,合理構(gòu)建出完善的軟件管理基礎(chǔ)快件,并通過操作先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)完成對(duì)管理基礎(chǔ)框架的優(yōu)化調(diào)整,展開管理指令的科學(xué)分層處理,只有這樣才能夠保證各個(gè)系統(tǒng)功能層在信息傳遞過程中始終保持一種獨(dú)立狀態(tài),即便是處于多項(xiàng)信息反饋的工作狀態(tài),它們之間也不會(huì)發(fā)生相互干擾的現(xiàn)象,各個(gè)功能層都能夠科學(xué)高效并獨(dú)立的完成下達(dá)的指令任務(wù)。

技術(shù)人員為了確保動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)軟硬件能夠有機(jī)結(jié)合在一起,就需要健全兩者之間的聯(lián)系體系,這樣的話在將來長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃中也能夠得到有效完善。新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中各項(xiàng)硬件的使用在軟件下達(dá)指令進(jìn)行,并且基于軟件系統(tǒng)監(jiān)督作用下,系統(tǒng)中的各項(xiàng)硬件能夠完成自我檢測(cè)管理維護(hù),確保能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)硬件使用中可能存在的安全故障問題,并被軟件管理系統(tǒng)成功鋪?zhàn)降较嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息,有效傳遞并儲(chǔ)存到動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中,提醒車主進(jìn)行維修操作。

在新能源汽車日常運(yùn)行管理中,電池供電的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要,隨著時(shí)間的不斷推移,科學(xué)技術(shù)的不斷完善,動(dòng)力電池生產(chǎn)技術(shù)有效克服了動(dòng)力電池溫度造成的影響,這樣也促使新能源汽車動(dòng)力電池將會(huì)進(jìn)入到更加高效穩(wěn)定的使用工作狀態(tài)中。 

7 結(jié)束語 

總之,文章從理論分析與工程技術(shù)的角度,完整地討論與分析了動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的各種組成部分與功能,包括冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng),從整體上展現(xiàn)了汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)、基本流程與基本要求。

在高溫情況下電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),目前車用動(dòng)力電池組常用的冷卻方式為氣體式冷卻和液體式冷卻兩種。電池組液體冷卻系統(tǒng)由于其冷卻效率高,多用于電池組容量較大的純電動(dòng)汽車。混合動(dòng)力汽車常用氣體式冷卻方式。

在低溫情況下電池加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),常規(guī)空氣加熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作和研發(fā)的成本低,但是加熱效率不高,北方冬季較低溫度情況下加熱較慢；電加熱方式對(duì)設(shè)備組成要求低、加熱速率快、效率高,是現(xiàn)階段實(shí)車應(yīng)用的主要方向。 

本文標(biāo)題：淺談新能源汽車動(dòng)力電池散熱管理系統(tǒng)及軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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