電動汽車電池熱管理系統(tǒng)研究進展

1、電動汽車電池熱管理系統(tǒng)研究進展摘要：電動汽車的無( 低 )污染優(yōu)點,使其成為當代汽車發(fā)展的主要方向。電池作為電動汽車唯一的動力來源，其熱管理設計對電動汽車工作性能至關重要。本文在對電池熱管理系統(tǒng)分析的基礎上，從控制系統(tǒng)、材料設計、熱管理方式、熱管技術、研究方式等方面來闡述電池熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。對電池熱管理系統(tǒng)的設計具有一定的指導意義。關鍵詞：電動汽車 電池 熱管理系統(tǒng) Research progress of battery thermal management system for electric vehiclesAbstract: the electric vehicle

2、has no (low) pollution advantages, make it become the main direction of the development of modern car.As the only source of electric vehicle, the battery is of vital importance for the electric vehicle performance.Elaborates the research status and development trend of battery thermal management sys

3、tem in this paper on the basis of the analysis of battery thermal management system, from the control system, material design, thermal management and thermal tube technology and research methods.The design of the battery thermal management system has a certain significance.Keywords: electric vehicle

4、; battery; heat management system0 引言能源危機和環(huán)境污染是當今世界各國面臨的兩大難題。 電動汽車具有節(jié)能 、 環(huán)保的優(yōu)點，成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢。電動汽車電池在工作過程中常因充放電時間過長而產生過充電 、 過放電現(xiàn)象，不僅影響了電池的使用性能，縮短了電池的 使用壽命，而且減少了電動汽車的續(xù)駛里程，降低了整車性價比；同時若不能及時精確地采集到單體電池和整組電池包的工作參數(shù)（如電壓、 電流、 溫度、剩余電量等)，還會影響到整車優(yōu)化控制策略，降低電池安全性能，甚至引發(fā)汽車爆炸。電動汽車電池會長時間工在比較惡劣的熱環(huán)境中 , 這將縮短電池使用壽命、降低電池性能;

5、以至于要綜合考慮溫度對電池性能和使用壽命的影響以確定電池最優(yōu)工作溫度范圍。所以電池組的熱監(jiān)控和熱管理對整車運行安全意義重大。從控制系統(tǒng)、材料設計、熱管理方式、熱管技術、研究方式等方面來改善熱管理系統(tǒng)，本文對此進行了歸納總結。1 電池熱管理系統(tǒng)分析1、1電池熱管理系統(tǒng)的功能為了提高電動汽車電池組的性能, 一方面電池生產商努力開發(fā)滿足電動汽車使用要求的電池 , 另 一方面電池使用者也通過優(yōu)化現(xiàn)有電池的使用環(huán)境發(fā)掘電池的潛能 。 電池組熱管理系統(tǒng)是從使用者角度出發(fā) ,用來確保電池組工作在適宜溫度范圍的整套系統(tǒng),包括電池箱、傳熱介質、監(jiān)測設備等部件.電池組熱管理系統(tǒng)有如下5 項主要功能:(1)電池溫度

6、的準確測量和監(jiān)控;(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風;(3)低溫條件下的快速加熱,使電池組能夠正常工作;(4) 有害氣體產生時的有效通風;(5)保證電池組溫度場的均勻分布。1.2確定電池最優(yōu)工作溫度范圍目前電動汽車用 電池主要有鉛酸電池、氫鎳電池和鋰離子電池。鉛酸電池應用 到電動汽車上的時間比較久,相關研究比較多。Anderson研究了1984 1988 年超過 500 萬輛汽車的 SLI 用(啟動、照明、點火)電池 , 總結出SLI鉛酸電池的壽命隨著溫度增加線性 減 少 , 然 而充電效率卻線性增加。Sharpe 和Conell研究了溫度對鉛酸電池充電的影響 , 發(fā)現(xiàn)隨著電池溫度的降低充

7、電接受能力下降 , 特別是 0 以下 。 Dickinson 和 Swan評估了幾種電動車用 鉛酸電池組的性能和壽命,發(fā)現(xiàn)模塊間的溫度梯度減少了整個電池組的容量 , 他們推薦保持電池組內溫度的均勻分布和控制現(xiàn)有鉛酸電池 溫度在35 40 之間 。Wicks和Doane研究了一種電動車用 鉛酸電池的溫度相關性能 , 他們發(fā)現(xiàn)效率和最大運行功率在-26 65 范圍內增加 。清華大學的付正陽發(fā)現(xiàn)氫鎳電池的性能也與溫度相關。當溫度超過50 時,電池充電效率和電池壽命都會大大衰減 , 在低溫狀態(tài)下, 電池的放電能力也比正常溫度小得多。氫鎳電池的工作運行范圍在0 40 之間。鋰離子電池與氫鎳電池、鉛酸電池

8、相比 , 體積比功率更高 , 導致生熱更多 , 所以散熱也 需要更加有效 。 對鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)研究更多地集中于安全性和低溫性能上。鋰離子電池工作溫度范圍為：充電時,1045 ；放電時， 3055 。2 電池熱管理技術2.1熱管理的控制系統(tǒng)結構隨著計算機技術及發(fā)動機電控技術的發(fā)展，采用電子驅動及 控 制 的 冷卻 水泵 、風扇 、節(jié)溫器等部件,可以通過傳感器和計算機芯片根據(jù)實際的發(fā)動機溫度控制運行 ，提供最佳的冷卻介質流量，實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)控制智 能化 ，降低了能耗 ，提高了效率。熱管理系統(tǒng)與發(fā)動機運行的匹配 技術以及系統(tǒng)優(yōu)化控制策略的選擇問題 智能化熱管理系統(tǒng)研發(fā)的關鍵技術。美國的 Th

9、e universityof Toxed 大學最早提出BMS系統(tǒng)。在歐洲，德國是電動汽車發(fā)展較快的國家，比較成熟的電池管理系統(tǒng)有德國 Mentzer Electronic Gmbh 和 Werner Retzlaff 為首設計的 BADICHEQ 系統(tǒng)及BADICOACH 系統(tǒng)和德國的 B.Hauck 設計的 BATTMAN 系統(tǒng)。加拿大 Zader 研制的電池管理系統(tǒng)由控制器、 監(jiān)測模塊和平衡模塊組成，能夠監(jiān)測電池組溫度和電壓，控制電池單體的充、 放電均衡.長安汽車股份有限公司為混合動力轎車研制的電池管理系統(tǒng)包括采集電路板和主控制電路板兩大子系統(tǒng)，具有采集電池總電壓和總電流 、熱管理 、故障

10、診斷和報警等功能。中南大學研發(fā)設計了基于 Android 平板電腦的汽車熱管理系統(tǒng)， 采用藍牙作為數(shù)據(jù)和控制的通信手段在國內 ，郭新民等對裝載機冷卻 系統(tǒng)控制 裝置進行了研究 ，該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的風扇和水泵由液壓馬達驅動，利用單片機根據(jù)冷卻水溫度的變化調節(jié)電磁比例溢流閥的溢流量以實現(xiàn)冷卻風扇和水泵轉速的自動調節(jié) 。通過試驗及仿真分析結果表明,熱管理系統(tǒng)效率很大程度上依賴于系統(tǒng)優(yōu)化控 制策略 ，控制對象包括水泵轉速 、電控節(jié)溫器閥門開度以及冷卻風扇轉速等。 制定智能化電控熱管理系統(tǒng)控制策略時 ，可根據(jù)汽車發(fā)動機實際工作和試驗情況，使發(fā)動機在不同工況下均工作在最佳溫度范圍 ，縮短暖機和駕駛艙升溫

11、時間 ，提高發(fā)動機后冷卻和駕駛艙后加熱能力 。2.2熱管理系統(tǒng)的材料結構與部件結構的設計針對夏季高溫天氣，由于長時間高 溫熱輻射 ，熱量進入到電池箱內部 ，導致電池組溫度過高，加上車輛行駛時電池本身發(fā)熱 ，容易使電池組始終處于高溫工作狀態(tài)。東風汽車有限公司研發(fā)了對電池的隔熱設計，并通過對電池組設計隔熱膜、空調壓縮機散熱設計、電池系統(tǒng)的半導體散熱設計的分析，得出隔熱設計可有效減少高溫熱輻射進入電池箱內部 ，降低電池組溫度受外部高溫環(huán)境的影響 ；在電動汽車行駛過中，隔熱材料并未明增加電池組的溫升 ；而且相對其他兩種設計，隔熱設計的熱管理效果明顯、結構簡單、成本低/易于產業(yè)化 。 圖2 帶空調壓縮機

12、散熱設計的電池系統(tǒng)2、3熱管理的方式從宏觀上講，電池熱管理是對電池系統(tǒng)內部熱環(huán)境進行控制、調節(jié)和利用。其目的是為了使電池工作在一個最佳的熱環(huán)境 ，充分發(fā)揮電池的性能。同時，提供一個能量平衡的環(huán)境，實現(xiàn)整車能量的綜合利用。具體而言,熱管理就是在電池系統(tǒng)中溫度過高時，對系統(tǒng)進行降溫；在溫度過低時，對系統(tǒng)進行升溫；在特殊情況下，譬如停車等待過程中，要對系統(tǒng)進行保溫。根據(jù)熱管理的不同應用場合和功能，分為冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)。2.3.1冷卻系統(tǒng)的基本構成與功能冷卻系統(tǒng)是電池熱管理系統(tǒng)中最重要的組成部分。 受制于目前技術瓶頸的限制，電池工作的溫度環(huán)境要滿足特定的要求 。譬如磷酸鐵鋰電池的一般環(huán)境溫

13、度為-20 60 。電池在充放電過程中會不斷地產生熱量，電池系統(tǒng)內部溫度很容易超過這一范圍，因此一般的電池系統(tǒng)都需要引入冷卻系統(tǒng)。根據(jù)冷卻介質的不同，冷卻系統(tǒng)通?？煞譃榭諝饫鋮s、液體風冷和相變液冷三種冷卻方式。這三種冷卻方式的散熱能力是依次增強的,同時，冷卻系統(tǒng)的結構復雜度也依次增加。由于相變冷卻成本比較高，考慮到降低成本的因素，目前工程技術上常采用空氣冷卻和液體冷卻兩種方式。日本豐田公司的混合動力電動汽車Prius和本田公司的Insight都采用了空冷的方式。清華大學和多家單位共同研制的國家863 燃料電池城市客車采用的也是空冷方式 。除了根據(jù)冷卻介質區(qū)分冷卻系統(tǒng)以外，冷卻系統(tǒng)也常常分為主動

14、冷卻和被動冷卻兩種形式。通常被動冷卻系統(tǒng)直接將電池內部的熱空氣排出車體，而主動冷卻系統(tǒng)通常具有一個內循環(huán)系統(tǒng)，并且根據(jù)電池系統(tǒng)內部的溫度進行主動調節(jié)，以達到最大散熱能力。一般而言 ，被動冷卻形式具有結構簡單、零部件數(shù)量少、成本低等優(yōu)點，被廣泛用于電池冷卻系統(tǒng)設計中 。 圖3 簡單的被動冷卻系統(tǒng)另外還有一種空冷 /水冷混合冷卻系統(tǒng)，空冷 /水冷混合冷卻系統(tǒng)原理如圖4所示 ?？绽?/水冷混合冷卻系統(tǒng)中有兩個關鍵零部件:一個是水冷的電池冷卻器，另一個是空冷的電池散熱器.空冷 /水冷混合冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、性能好且低溫環(huán)境下經(jīng)濟節(jié)能等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)復雜、成本高、控制復雜且可靠性要求高 。 圖4 空

15、冷 /水冷混合冷卻系統(tǒng) 電池箱內電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關系, 一般情況下, 中間位置的電池容易積累熱量, 邊緣的電池散熱條件要好些 。 所以在進行電池組結構布置和散熱設計時 , 要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來, 通風方式一般有串行和并行兩種。并行通風方式需要對 進排氣通道,電池布置位置進行很好地設計。豐田新 Prius 采用的就是并行通風結構,其楔形的進排氣通道使得不同模塊間縫隙上下的壓力差基本保持一致,確保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一致性,從而保證了電池組溫度場分布的一致性。2、3、2加熱系統(tǒng)的基本構成與功能一般而言，加熱系統(tǒng)是為了滿足在低溫環(huán)境下能夠使電池

16、能正常充電。加熱系統(tǒng)主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最重要的部分。常見的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱為 PTC（ Positive Temperature Coefficient，后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜，譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等 。由于汽地域適用性較為廣泛，在寒冷地區(qū)要使電動汽車能正常使用 ，必須電池加入額外的加熱系統(tǒng)以滿足要求。PTC 由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其中陶瓷PTC元件較為常用，其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。陶瓷PTC元件通常不能直接用于加熱，而需

17、要設計金屬外殼體，陶瓷PTC通過加熱外殼體而將熱量傳導給其他結構 。然而，使用陶瓷PTC作為加熱元件的缺點也很明顯。首先，包含PTC 的加熱件體積較大，會占據(jù)電池系統(tǒng)內部較大的空間 。 其次， PTC的外殼是金屬件,會存在絕緣問題。除了常規(guī)的陶瓷 PTC 這類相對硬度較高的材質，還存在一類柔性 PTC。柔性 PTC 是指其 PTC 的組織結構柔軟、重量輕、厚度?。ㄍǔ？勺龅?0.5mm 以下），它可以根據(jù)需要作成任何形狀。這類 PTC 廣泛的用于汽車坐墊加熱， 目前也正逐步在電池加熱中使用。 但是，這類 PTC 加熱器的成本會相對較高 。絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器， 它可以根據(jù)工件的任意形

18、狀彎曲 ， 確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞 ，并且其厚度可以達到 0.25mm 左右。硅膠加熱器是傳統(tǒng)金屬加熱器無以倫比的具有柔軟性的薄形面發(fā)熱體。它在玻璃纖維布上下二片中夾入硅膠后適壓而成的二片薄片構成，具有良好的傳熱性（ 標準 1.5mm）。 由于柔性，它可以與被加熱物體完全密切接觸這兩種加熱器都屬于恒定電阻加熱器，其安全性要比 PTC 差些。2、3、3保溫系統(tǒng)的基本構成與功能保溫系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)的功能有點類似， 但是嚴格地講又有區(qū)別 。保溫系統(tǒng)更多的情況下是為了滿足短期內電池系統(tǒng)內部溫度熱環(huán)境在正常區(qū)間內。例如，在冬天低溫下，電動汽車臨時停車2個小時后再工作，那么在2個小時時間內，

19、必須要有保溫系統(tǒng)的作用，以防止電池系統(tǒng)內部溫度過快的下降造成的影響。保溫系統(tǒng)設計通常采用保溫材料或者保溫漆等，起到隔絕的作用，防止電池系統(tǒng)內部溫度過快的散發(fā)。3 熱管技術的應用目前在對電動汽車動力電池的熱管理中，應用熱管作為散熱手段的研究還不多，主要成果尚處于實驗室研究階段，真正投入實際應用的幾乎還沒有。研究中已使用的熱管主要包括回路型重力熱管，脈動熱管、燒結熱管和平板環(huán)路熱管。在我國，熱管散熱技術應用在動力電池散熱上報道尚少，應用于鋰離子電池系統(tǒng)則更為少見。饒中浩等設計了以燒結熱管為電池散熱的熱管理方式。華南理工大學的張維在電動汽車電池熱管理系統(tǒng)的應用背景下，研究了微小平板型環(huán)路熱管和相變材

20、料耦合散熱對電池的最高工作溫度和溫度分布的影響。湖南大學的胡小峰采用無機超導熱管結合汽車行駛過程中高速流動的空氣對圓柱型鋰離子電池進行散熱，在放電電流為 5A、7.5A、10A等條件下進行無機超導熱管冷卻電池實驗，電池表面最高溫度不超過 50，并對比了風冷強制散熱與自然對流散熱的不同效果，論證了無機超導熱管散熱系統(tǒng)的散熱效果的可行性。齊曉霞等指出，熱管是一種較好的熱橋，其多樣化的形式和靈活的布置位置，若結合其他強制冷卻方式能獲得較好的效果，尤其是小型熱管技術的發(fā)展能給動力電池的安全長效運行帶來更大的發(fā)展空間。 圖5 置于車后箱中的脈動熱管式電池熱管理系統(tǒng)4 研究方式汽車熱管理技術的研究手段主要

21、包括試驗研究和模擬研究。試驗研 究雖然周期長、花費高，但真實可靠，還可為模擬研究提供充分的試驗數(shù)據(jù)，驗證仿真計算精度。目前，國內外的不同研究機構都搭建了不同的熱管理試驗平臺以及通過不同的仿真軟件對熱管理系統(tǒng)進行分析研究。清華大學建設了國內第一個汽車熱管理系統(tǒng)試驗平臺，該試驗平臺可為汽車熱管理系統(tǒng)，特別是燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)的技術研究提供相應的平臺技術支持。同濟大學的倪計民等建立了發(fā)動機熱管理系統(tǒng)試驗平臺，試驗平臺包括駕駛室取暖器、節(jié)氣門加熱裝置、發(fā)動機罩等，結構與整車相同，可以研究熱管理系統(tǒng)中各部件的工作特性，進行發(fā)動機各種工況的熱性能試驗研究。浙江大學的譚建勛等進行了工程機械熱管理系統(tǒng)試驗平臺的開發(fā)。該試驗平臺能夠較準確