熱管理系統(tǒng)在電池管理系統(tǒng)中的重要性

1、WORD格式整理版熱管理系統(tǒng)在電池管理系統(tǒng)中的重要性電池管理系統(tǒng)(Battery Management System, BMS )的主要任務(wù)是保證 電池組工作在安全區(qū)間內(nèi)，提供車輛控制所需的必需信息，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響 應(yīng)處理，并根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。BMS 的主要功能有電池參數(shù)監(jiān)測(cè)、電池狀態(tài)估計(jì)、在線故障診斷、充電控制、自動(dòng)均 衡、熱管理等。本文將重點(diǎn)分析電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(Battery ThermalManagement System, BTMS).電池的熱相關(guān)問(wèn)題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關(guān)鍵因素。首先，鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用

2、中的能量與功率性能。溫度較低時(shí)，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，在過(guò)低溫度下(如低于 0° C)對(duì)電池 進(jìn)行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過(guò)充現(xiàn)象， 造成內(nèi)部析鋰并進(jìn)而引發(fā)短路。 其 次，鋰離子電池的熱相關(guān)問(wèn)題直接影響電池的安全性。生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用過(guò)程中的不當(dāng)操作等可能造成電池局部過(guò)熱，并進(jìn)而引起連鎖放熱反應(yīng)，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)重的熱失控事件，威脅到車輛駕乘人員的生命安全。 另外，鋰離子電池的工作或存放溫度影響其使用壽命。電池的適宜溫度約在 1030 ° C之間，過(guò)高或過(guò)低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動(dòng)力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對(duì)減小，電池內(nèi)

3、部熱量不易散出，更可能出現(xiàn)內(nèi)部溫度不均、局部溫升過(guò)高等問(wèn)題，從而進(jìn)一步加速電池衰減，縮短電池壽命， 增加用戶的總擁有成本。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是應(yīng)對(duì)電池的熱相關(guān)問(wèn)題，保證動(dòng)力電池使用性能、安全性 和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。熱管理系統(tǒng)的主要功能包括： 1）在電池溫度較高時(shí)進(jìn) 行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；2）在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，提升電池 溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性； 3）減小電池組內(nèi)的溫度差異， 抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫位置處電池過(guò)快衰減，降低電池組整體壽命。一、Tesla Roadster的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)Tesla Motors公司的Roadster純電動(dòng)汽車采用了液冷式電池?zé)?/p>

4、管理系統(tǒng)。車載電池組由6831節(jié)18650型鋰離子電池組成，其中每 69節(jié)并聯(lián)為一組 （brick）,再將9組串聯(lián)為一層（sheet ）,最后串聯(lián)堆疊11層構(gòu)成。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻液為50%水與50%乙二醇混合物。圖1.（a）是一層（sheet）內(nèi)部的熱管理系統(tǒng)。冷卻管道曲折布置在電池問(wèn)， 冷卻液在管道內(nèi)部流動(dòng)，帶走電池產(chǎn)生的熱量。圖 1.（b）是冷卻管道的結(jié)構(gòu)示意 圖。冷卻管道內(nèi)部被分成四個(gè)孔道，如圖 1.（c）所示。為了防止冷卻液流動(dòng)過(guò)程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動(dòng)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，冷卻管道的兩個(gè)端部既是進(jìn)液口，也是出液口，如圖1（d）所示。電池之間及電池和管道

5、間填充電絕緣但導(dǎo)熱性能良好的材料（如Stycast 2850/ct ）,作用是：1）將電池與散熱管道間的接觸形式從線接觸轉(zhuǎn)變 為面接觸；2）有利于提高單體電池間的溫度均一度；3）有利于提高電池包的整體 熱容，從而降低整體平均溫度。圖1. Roadster的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)示意圖通過(guò)上述熱管理系統(tǒng),Roadster電池組內(nèi)各單體電池的溫度差異控制在±2° C內(nèi)。2013年6月的一份報(bào)告顯示，在行駛10萬(wàn)英里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的 80%85% ,而且容量衰減只與行駛里程數(shù)明顯 相關(guān)，而與環(huán)境溫度、車齡關(guān)系不明顯。上述結(jié)果的取得依賴電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的

6、有力支撐。二、其他電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)1、日產(chǎn)LEAF的熱管理系統(tǒng)日產(chǎn)汽車公司的LEAF純電動(dòng)汽車采用了少見的被動(dòng)式電池組熱管理系統(tǒng)。電池組由192節(jié)33.1 Ah的層疊式鋰離子電池組成。4節(jié)單體電池采用兩并兩用的連接形式組成模塊，48個(gè)模塊串聯(lián)組成電池組。電池組采用密封設(shè)計(jì)，外界不通風(fēng)，內(nèi)部也無(wú)液冷或空冷的熱管理系統(tǒng)，但寒冷地區(qū)有加熱選件。LEAF所 采用的鋰離子電池經(jīng)過(guò)電極設(shè)計(jì)后降低了內(nèi)部阻抗， 減小了產(chǎn)熱率，同時(shí)薄層（單 體厚度7.1 mm ）結(jié)構(gòu)使電池內(nèi)部熱量不易產(chǎn)生積聚，因此可以不采用復(fù)雜的主 動(dòng)式熱管理系統(tǒng)。電池組的壽命保證期是 8年或16萬(wàn)公里。2、通用Volt的熱管理系統(tǒng)通用汽

7、車公司的Volt插電式混合動(dòng)力汽車使用了 288節(jié)45 Ah的層疊式鋰 離子電池。電池組的電氣連接可等效為 96片單體串聯(lián)成組，3組并聯(lián)。熱管理 系統(tǒng)采用了液冷式設(shè)計(jì)方案，以50%水與50%乙二醇混合物為冷卻介質(zhì)。單體 電池問(wèn)間隔布置了金屬散熱片（厚度為 1 mm）,散熱片上刻有流道槽。冷卻液 可在流道槽內(nèi)流動(dòng)帶走熱量。在低溫環(huán)境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池開圖2. Volt的熱管理系統(tǒng)Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在 2 C以內(nèi)，有力地支持了 8年的電池組 壽命保證期。三、Tesla Roadster相對(duì)于其他電動(dòng)汽車在熱管理上的特點(diǎn)從上述分析可以看到，Tesla Roadster在熱

8、管理系統(tǒng)上遠(yuǎn)比其他電動(dòng)汽車 要復(fù)雜。Tesla的電池組是由6831節(jié)單體容量較小的18650電池組成的，要保 證這么多電池的溫度差異不超過(guò)土 2 C是一件非常困難的事情，但是 Tesla做 到了，這也凸顯出Tesla在電池管理上的先進(jìn)、獨(dú)到之處。但是，又有一個(gè)新問(wèn) 題出來(lái)了：既然LEAF和Volt采用大容量的層疊式鋰離子電池匹配較簡(jiǎn)單的熱管理系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，為什么 Tesla還要采用18650電池和復(fù)雜的電池 管理系統(tǒng)？筆者認(rèn)為有如下原因：a. 18650電池的優(yōu)點(diǎn)：18650電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中， 生產(chǎn)廠商已經(jīng)積累了大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)用于控制成本，提高性能（特別是安全性、

9、一致性等）。Tesla在選擇電池廠商時(shí)，特別選擇了那些積極投資于減少產(chǎn)品缺 陷的企業(yè)。b. Tesla的相對(duì)優(yōu)勢(shì)：在所有的電動(dòng)汽車制造商中，Tesla是很神奇的一家。 它既不是電池生產(chǎn)商，也不是傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)商，但它居然成功了。中國(guó)的比亞 迪是從電池起家，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)電動(dòng)汽車；日本的日產(chǎn)是傳統(tǒng)的汽車廠商，后來(lái)與NEC合作開發(fā)電池，進(jìn)入電動(dòng)汽車市場(chǎng)。Tesla的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在哪里？我認(rèn)為電池 管理系統(tǒng)絕對(duì)是其中很重要的一個(gè)部分。在 Tesla的技術(shù)團(tuán)隊(duì)中，偏向電子、電工方向的工程師應(yīng)該是占多數(shù)的，因此開發(fā)電池管理系統(tǒng)難度遠(yuǎn)低于開發(fā)電池 （偏向材料、化學(xué)）或者底盤（偏向機(jī)械）等。在Tesla技術(shù)總監(jiān)J B

10、 Straubel訪談中，他對(duì)“ Tesla一直會(huì)綁定在18650 電池上嗎？ Tesla會(huì)不會(huì)選用別的什么電池？ ”這個(gè)問(wèn)題的回答是：“相信我， 在不久的將來(lái)我們會(huì)看到18650是最有說(shuō)服力的。我真的不知道為什么18650會(huì)引起那么多爭(zhēng)議，沒(méi)有人會(huì)在乎你油箱的形狀和大小， 但是在電動(dòng)車上用什么 形狀和大小放入電化學(xué)能量卻引起這么多的爭(zhēng)議。人們應(yīng)該真正討論的是里面放了什么樣的化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)的性質(zhì)決定了成本和性能。目前我們的電池實(shí)際 上是深度定制的，我們和松下一起做了大量的客戶定制工作。我們做的是汽車級(jí) 的電池，按照汽車級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)酷測(cè)試，絕對(duì)不可能在任何筆記本上找到這種電池。我們之所以使用1

11、8650這樣形狀和大小的電池主要是出于生產(chǎn)和成本效率方面 的考慮，任何一種大電池都滿足不了我們需要的價(jià)格水平。我們認(rèn)為對(duì)于電動(dòng)車，你的產(chǎn)品有一些關(guān)鍵的安全和性能指標(biāo)這是必須的，但是最重要的是你產(chǎn)品能量存儲(chǔ)的成本效率。如果有公司覺(jué)得自己的電池架構(gòu)更劃算，我們隨時(shí)洗耳恭聽。但是目前為止我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一家公司能證明比我們的電池架構(gòu)更具成本效* 力 帝。J B Straubel對(duì)Tesla的長(zhǎng)期合作伙伴戴姆勒和豐田的態(tài)度是：“豐田對(duì)我 們?cè)谔嵘a(chǎn)經(jīng)營(yíng)和供應(yīng)商質(zhì)量問(wèn)題上非常有幫助。在大型制造企業(yè)里面他們是世界界上最好的公司。他們建立了一門科學(xué)追蹤生產(chǎn)缺陷， 在很多地方幫到了我 們。我們從戴姆勒學(xué)到的關(guān)鍵知識(shí)是產(chǎn)品