电动汽车电池热管理系统研究

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　　摘 要：电动汽车相比起传统的燃油汽车具有更加清洁、更加高效的特点。电池的工作性能很大程度上决定了电动汽车的工作性能，而电池使工作性能又与环境温度有关，为了进一步提升电动汽车的安全性和使用性能，需要重点做好电池热管理系统的研究工作。因此，本文对动力电池组热管理系统的具体功能和必要性进行了详细的介绍。
　　关键词：热管理;温度;电池;电动汽车
　　电动汽车所使用的电池在运行状态下，由于内部的焦耳效应和电化学反应会产生一定的热量，致使电池内部温度不断发生变化。安装于电池包中的动力电池由于受制于电池包的安装位置与内在结构，电池组很难在较短时间内自行散热。另外，处于变化状态下的外界环境也会对电池的温度造成直接影响。通常情况下，电池受到温度变化的影响可总结为以下几点：（1）使用寿命;（2）运行可靠性;（3）充放电效率;（4）自放电。由此可知，电动汽车的使用寿命、可靠性和使用性能很大程度上会受到温度的影响。而电池温度又与各种外界因素和自身因素有关，在设计电动汽车的过程中，设计者应当提高对于电池组热管理的重视力度，使电池在适宜的温度下运行，确保电动汽车在行驶的过程中维持安全可靠。
　　1 电动汽车电池组热管理系统
　　1.1 电池组热管理的必要性
　　对于电动汽车来说，电池是十分重要的储能单元，并且与汽车的整体性能有着十分密切的关系，有必要对电池组的温度进行有效的管理。电池组热管理的必要性可以归纳为以下几点：（1）电池组的热管理和热监控与整车运行的安全性密切相关;（2）若电池包内温度不均匀，将会直接造成各单体电池、保持模块之间性能上的差异;（3）若电池在比较恶劣的温度环境下持续运转，将会大幅缩短电池使用寿命、降低电池充放电容量与功率。
　　1.2 电池组热管理系统的功能
　　电池组热管理系统具体包括监测控制设备、传热介质以及电池箱等部件，能够对电池组运行状态下的温度进行有效的控制。
　　电池组热管理系统的具体功能主要包括以下几点：（1）避免电池因热失控而出现爆炸或失效的危险;（2）在电池温度过低的情况下能够起到良好的保温作用并具有快速加热功能;（3）维持电池包温度均衡，防止由单体电池之间的性能差异影响整车的运行性能。
　　2 电池热管理系统的设计要点
　　2.1 确定电池最优工作温度范围
　　在不同的车辆运行工况下和不同的气候条件下，电池温度也会呈现较大的变化。采用热管理技术对电池温度进行控制，首先应当对电池最佳的使用环境温度进行判断。
　　对电池温度特性进行分析是明确电池最优使用温度的主要手段。电池的温度特性具体指的是在不同温度下，电池充放电效率、SOC、开路电压和内阻的表现情况。针对电池温度特性的分析可以通过仿真和实验两种方法进行探究。实验测量方法的优势在于分析结果相对精确，能够将电池的真实特性反映出来，缺点在于耗时长并且工作量大。若通过专业软件进行仿真分析，也能够一定程度上将电池温度特性反映出来，但准确性相对较低。
　　2.2 电池热场计算及温度预测
　　电池本身的散热性能较差，若单纯依靠温度传感器对电池表面温度进行测量无法将电池内部的热状态充分反映出来。借助数学计算模型对电池内部温度场进行计算，能够对其内部的热行为进行预测，是对电池组热管理系统进行设计的重要环节。
　　对于锂离子电池来说，若要计算其内部温度场，可以通过以下公式进行计算：
　　上市将温度记为T，将平均密度记为ρ，将电池比热记为Cρ，将电池在x、y、z三个方向上的导热率分别记为kx、ky、kz;将单位体积生热速率即为q;利用专门的量热计能够获取电池生热速率，再通过有限元法对电池的温度场进行计算。
　　2.3 传热介质的选择
　　电池热管理系统一般情况下所采用的传输介质通常包括相变材料、液体以及空气等。
　　其中最简单的方式为空气冷却，利用气流对电池表面进行散热处理，其应用优势在于以下几点：（1）成本相对较低;（2）在电池产生有害气体的情况下可以起到通风效果;（3）不存在漏液问题;（4）重量相对较轻并且结构简单。空气冷却的缺点在于加热、冷却速度较慢，换热系数较低。
　　液体冷却具体包括直接接触和非直接接触两种方式。直接接触传热介质，通常以矿物油为主，非直接接触传热介质主要包括防冻液和水两种。对电池进行液体冷却一定要设置专门的换热设施，但却一定程度上影响了换热效率。液体冷却的应用优势可归纳为以下几点：（1）体积相对较小;（2）加热、冷却速度较快。其应用劣势主要包括：（1）结构相对复杂，并且需要设置换热器、水套等部件;（2）保养和维修复杂;（3）存在漏液的可能。
　　相變材料冷却方法能够对外界的热量进行直接吸收，该技术的应用优点主要在于能够延缓电池的温升速率，在一定条件下进行温度控制，缺点在于成本较高且需要配合其他冷却系统使用。
　　2.4 温度传感器的数量判断
　　温度测量的全面性与传感器数量成正比，但系统成本也会相应的增加。尤其是在长时间运行状态下，温度传感器也可能会出现故障。因此，热管理系统中所设置的传感器数量应当尽量充足。在涉及热管理系统的过程中，设计者需要依照具体的散热需求对温度传感器的数量进行有针对性的调整。
　　由于电池包内电池组温度分布不均匀，需要通过实时多点温度监测、红外热成像技术或有限元分析的方法对单体电池、电池模块和电池组的热场分布进行测量与分析，对测量点的数量进行判断，并分析出测量点的最佳位置。在设计电池热管理系统的过程中，设计者应当确保温度传感器与冷风完全隔离，保证温度测量结果的稳定性与准确性。
　　2.5 加热系统功率和风机功率的选择
　　若电池热管理系统以空气为传热介质，则需要通过流体力学、理论计算以及实验等方法来对风机功率进行合理性的选择。在流动阻力较小的情况下，可以采用离心式风扇。 　　3 电池包的设计
　　对于电池热管理系统来说，电池包的设计工作是一项十分重要的内容，电池热管理系统的工作效率、安装与选型均与电池包的设计有着十分密切的关系。在着手设计电池包之前，设计者应当对车内各种部件的空间需求进行充分的考虑，并结合具体的电池数目、冷却方式进行综合设计。通过ANSYS等软件分析电池包的热特性。依照分析结果对电池包结构进行有针对性的改进。若电池包采用空气冷却技术，可以通过FLUENT等流体分析软件来分析其流体力学，根据分析结果设计风道。
　　4 空气冷却技术应用的注意事项
　　由于空气冷却技术成本低廉，在我国电动汽车发展的初级阶段，该技术必然会得到广泛的应用。因此，本文对空气冷却技术应用的相关注意事项进行了详细的介绍。
　　从冷却方式的角度可以将空气冷却划分为强迫空气冷却和自然对流冷却两种方式;从电池通风方式的角度可以将空气冷却划分为并行和串行两种方式。
　　自然对流冷却指的是通过在汽车行驶状态下所产生的空气对流来冷却电池组，这种方法成本较低并且简单易行，但对于电池封装设计和电池形状设计有着较高的要求，需要通过特殊的结构设计与材料选型来增加电池散热能力。强迫空气冷却技术所使用的冷风来自于汽车自带的蒸发器，即利用风扇对电池实施冷却处理，通常在排气通道出口位置安装风扇。
　　在串行通風冷却方式下，冷却效果并不均匀，会使电池表面温度存在差异。而并行通风方式会使单体电池间的温度更加均匀，但却需要对集流板的倾斜角度和电池间通道的间距进行合理化的设计，以确保冷风流速均匀。
　　5 结束语
　　当前我国已经进入到新能源汽车发展的关键阶段，如何提高电动汽车的使用性能已经成为相关企业十分重要的研究课题之一。现阶段我国在电动汽车技术方面的研究，应当重点集中在电池性能方面，对电池散热性能进行优化与改良是最具核心地位的工作内容。设计要求相关企业不断加强专业理论知识的应用水平，对以往的设计经验进行不断的总结与分析，最大程度上提升电池组热管理系统的技术含量。
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