淺談動(dòng)力電池散熱

淺談動(dòng)力電池散熱

20世紀(jì)自結(jié)束以來(lái)，污染和可源危機(jī)已成為兩個(gè)全球問(wèn)題，交通運(yùn)輸業(yè)是問(wèn)題的主要原因之一。相關(guān)研究表明,電池的溫度對(duì)電池的性能有著重要影響本文提出基于增量式PID控制算法和熱電致冷技術(shù)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),并以STM32作為主控芯片建立多溫度檢測(cè)回路。采用實(shí)驗(yàn)和第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè)相結(jié)合的研究方法,探究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電池模塊不同放電倍率下的溫度調(diào)節(jié)以及各電池單體之間的溫度均勻特性,為高性能電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)提供參考價(jià)值。1實(shí)驗(yàn)電路1.1動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)本系統(tǒng)基于增量式PID控制算法,以STM32為中央處理單元,接收多個(gè)DS18B20溫度傳感器構(gòu)成的溫度檢測(cè)回路反饋信號(hào),并上傳至上位機(jī)以及TFT液晶屏實(shí)時(shí)顯示。處理器I/O控制輸出一定占空比的PWM信號(hào),經(jīng)過(guò)MOS開關(guān)電路控制半導(dǎo)體控溫模塊工作時(shí)間,進(jìn)而調(diào)節(jié)電池工作環(huán)境溫度;可通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)改變溫度設(shè)定值以及溫度控制算法系數(shù)。系統(tǒng)電路主要模塊在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的作用為:中央處理器通過(guò)編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)控制中樞系統(tǒng),統(tǒng)一并協(xié)調(diào)處理系統(tǒng)各個(gè)元器件返回的數(shù)據(jù),監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng),確保系統(tǒng)正常運(yùn)行;溫度傳感器則平均分布于箱體的內(nèi)壁和電池單體的表面,實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度并提供控制反饋信號(hào);開關(guān)電路通過(guò)響應(yīng)中央處理器I/O輸出PWM信號(hào),控制電路通斷進(jìn)而控制熱電致冷器工作時(shí)間;熱電致冷組件根據(jù)電路通斷、電流大小提供致冷量、制熱量,使得電池箱體溫度發(fā)生變化;基于熱電致冷的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。熱電致冷器作為熱管理系統(tǒng)的主要部件,主要包括致冷片TEC1-12706、翅片、散熱風(fēng)扇等;額定工作電壓為12V,額定工作電流為6A,而中央處理器輸出控制信號(hào)負(fù)載能力弱,無(wú)法驅(qū)動(dòng)熱電致冷器工作。該系統(tǒng)中的中央處理器接受來(lái)自溫度檢測(cè)回路的反饋信號(hào),輸出產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào),信號(hào)以數(shù)字信號(hào)作為控制信號(hào)控制NMOS開關(guān)電路控制熱電致冷器電路啟閉狀態(tài),從而控制熱電致冷器工作時(shí)間,調(diào)節(jié)冷量,如圖2所示。由于MOS管是電壓控制元件,柵極電壓決定了其工作狀態(tài),系統(tǒng)采用12V直流電源提供漏源電壓V1.2安全控制的實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)合電池產(chǎn)熱機(jī)理,開發(fā)核心控制算法理論、溫度檢測(cè)、PWM調(diào)節(jié)等交互機(jī)制。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),對(duì)中央處理器輸出和相關(guān)元器件的引腳、定時(shí)器、串口進(jìn)行初始化,設(shè)置初始化工作模式。通過(guò)4個(gè)溫度傳感器對(duì)箱體溫度進(jìn)行采集并取平均值,將其顯示在TFTLCD屏上和電腦上位機(jī)。程序執(zhí)行時(shí),不斷掃描按鍵電路,同時(shí)打開串口通信,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度設(shè)定值的實(shí)時(shí)修改。通過(guò)核心處理算法-PID算法運(yùn)算出控制所需的控制量,并將控制量作為輸出值輸出,控制中央處理器輸出一定占空比的PWM控制信號(hào),控制熱電致冷組件的致冷量實(shí)現(xiàn)對(duì)于箱體溫度的控制?；贘ava語(yǔ)言開發(fā)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)上位機(jī),滿足溫度設(shè)定值、4路溫度傳感器所測(cè)得溫度值、溫度實(shí)際平均值以及控制系數(shù),同時(shí),可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)溫度設(shè)定值以及PID控制系數(shù)進(jìn)行改變。其中:由式(1)可知,確定比例系數(shù)K2電池單體溫度測(cè)試本文經(jīng)過(guò)對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中磷酸鐵鋰電池在1C～3C充放電倍率下電池單體和模塊箱體的溫度變化進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制溫度的穩(wěn)定性。其中,當(dāng)充放電倍率為1C時(shí),溫度設(shè)定值為30℃,電池單體的溫度數(shù)據(jù)如表1所示。由圖4可知,經(jīng)過(guò)測(cè)試,電池組在1C充放電倍率下,1145s時(shí)電池組平均溫度第一次到達(dá)溫度設(shè)定值30.0℃時(shí),溫度平均值在30.0℃波動(dòng),單體電池1溫度在29.9℃波動(dòng),單體電池4溫度在30.9℃波動(dòng),單體電池2和單體電池3溫度在29.5℃波動(dòng),基于熱電致冷技術(shù)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)溫度控制波動(dòng)偏差均在±0.1℃內(nèi)。當(dāng)充放倍率為2C,溫度設(shè)定值為30℃,電池單體的溫度數(shù)據(jù)如表2所示。由圖5可知,經(jīng)過(guò)測(cè)試,電池組在2C充放電倍率下,376s電池組平均溫度第一次到達(dá)溫度設(shè)定值30.0℃,溫度平均值在30.0℃波動(dòng),單體電池1溫度在30.6℃波動(dòng),單體電池2溫度在29.7℃波動(dòng),單體電池3溫度在29.5℃波動(dòng),單體電池4溫度在30.4℃波動(dòng),基于熱電致冷技術(shù)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)溫度控制波動(dòng)均在±0.1℃內(nèi)。當(dāng)充放倍率為3C,溫度設(shè)定值為30℃,電池單體的工作溫度數(shù)據(jù)如表3所示。由圖6可知,經(jīng)過(guò)測(cè)試,電池組在3C充放電倍率下,232s電池組平均溫度第一次到達(dá)溫度設(shè)定值30.0℃;經(jīng)過(guò)750s后,溫度平均值在30.1℃波動(dòng),單體電池1溫度在31.6℃波動(dòng),單體電池2溫度在29.4℃波動(dòng),單體電池3溫度在29.2℃波動(dòng),單體電池4溫度在29.9℃波動(dòng),基于熱電致冷技術(shù)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)溫度控制波動(dòng)均在±0.1℃內(nèi)。此外,經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)(華南國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心)測(cè)試報(bào)告如圖7～9所示,基于熱電致冷的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(型號(hào):BST-50)在單體電池的控溫以及電池模塊的均溫性方面效果明顯。結(jié)果表明,電池在1C放電倍率工況下,單體電池最高溫度為24.2℃,最低溫度為20.6℃,最大溫度波動(dòng)±0.46℃。而模塊運(yùn)行環(huán)境的溫度最高為19.8℃,最低溫度為16.9℃,最大溫差為2.9℃,最大溫度波動(dòng)±0.50℃,溫度均勻性2.2℃。2C放電倍率下單體電池最高溫度為32.8℃,最低溫度為27.1℃,最大溫度波動(dòng)±0.09℃。而模塊運(yùn)行環(huán)境的溫度最高為19.9℃,最低溫度為17.4℃,最大溫差為2.5℃,最大溫度波動(dòng)±0.37℃,溫度均勻性2.1℃。3C放電倍率下單體電池最高溫度為44.4℃,最低溫度為41.5℃,最大溫度波動(dòng)±0.15℃。而模塊運(yùn)行環(huán)境的溫度最高為25.5℃,最低溫度為22.5℃,最大溫差為3.0℃,最大溫度波動(dòng)±0.25℃,溫度均勻性2.7℃。3動(dòng)力電池?zé)峁芾黼娐繁疚耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)與第三方檢測(cè)相結(jié)合的方法,研究了基于熱電致冷的動(dòng)力電池?zé)峁芾黼娐返目販睾途鶞匦阅?主要結(jié)論如下:(1)基于增量式PID控制算法和熱電致冷技術(shù)相結(jié)合的動(dòng)力電池?zé)峁芾黼娐?采用STM32作為主控芯片建立多路溫度檢測(cè)回路模塊,可解決電池在高溫環(huán)境下控溫難的問(wèn)題;(2