動力電池?zé)峁芾硐冗M(jìn)技術(shù).docx

動力電池?zé)峁芾硐冗M(jìn)設(shè)計隨著社會的發(fā)展，人類對能源的需求總量在不斷地提升，而傳統(tǒng)化石能源因為儲量有限，以及在應(yīng)用過程中帶來的溫室效應(yīng)等潛在隱患，讓世界各國都認(rèn)識到調(diào)整能源結(jié)構(gòu)對確?？沙掷m(xù)性發(fā)展的重要性。因此，自20世紀(jì)70年代以來，世界各主要國家都加大了在風(fēng)電、太陽能、氫能等可再生能源方面的技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用推廣。其中，電動汽車的發(fā)展得到了全球統(tǒng)一的認(rèn)可。截至2015年,美國在全球電動汽車保有量中的占比一直都是最高的。到2016年,中國成為全球電動汽車保有量占比最高的國家,全球占比約三分之一。中國擁有超過2億輛兩輪電動車、300萬到400萬輛低速電動汽車(LSEV)和超過30萬輛電動公交車。在其他交通方式的電氣化方面,中國也是迄今為止的全球領(lǐng)導(dǎo)者。電動汽車行業(yè)的火爆帶動了動力電池產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，據(jù)中國市場情報中心（CMIC）報道，到2020年，新能源電動汽車帶動的全球車載動力儲能電池市場需求將超過2000億元，市場發(fā)展?jié)摿κ挚捎^。動力電池系統(tǒng)是新能源電動汽車的心臟，與電機(jī)、電控并稱為新能源電動汽車三大核心部件，其性能影響整車的安全性、經(jīng)濟(jì)型和動力性，直接關(guān)系到新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景與市場規(guī)模，是推動新能源電動汽車商業(yè)化、市場化應(yīng)用的關(guān)鍵。在眾多類型動力儲能電池中鋰離子動力電池由于其具有高單體工作電壓、高質(zhì)量比能量、高體積比能量、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)、低自放電率、寬工作溫度范圍、清潔無污染等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。但動力電池制備技術(shù)尚不完善，生產(chǎn)品質(zhì)不宜掌握，縱然是同批次同型號動力電池單體電芯在性能方面也存在著差異。且由于動力電池組在使用過程中受環(huán)境因素、電池老化等原因，單體電芯之間的不一致性激增，極易發(fā)生過充或過放等極端異常情況，甚至導(dǎo)致動力電池起火爆炸等安全隱患。因此設(shè)計安全可靠的動力電池管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測動力電池關(guān)鍵數(shù)據(jù)，估計電池工作狀態(tài)，控制電池組充放電過程，對于延長電池的使用壽命，保證電池使用過程中安全，提高電池的能量利用率至關(guān)重要。電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem,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)異常時及時響應(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、電池狀態(tài)估計、在線故障診斷、充電控制、自動均衡、熱管理等。本文將重點分析電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BatteryThermalManagementSystem,BTMS).電池的熱相關(guān)問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。溫度高低對于里離子動力電池的整體性能，包括電池的容量、功率、充放電效率、安全性和壽命等都有著非常顯著的影響。溫度較低時，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，在過低溫度下（如低于0）對電池進(jìn)行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現(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)的缺陷或使用過程中的不當(dāng)操作等可能造成電池局部過熱，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1030C之間，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，電池內(nèi)部熱量不易散出，更可能出現(xiàn)內(nèi)部溫度不均、局部溫升過高等問題，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。熱管理系統(tǒng)的功能主要包括：u 電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；u 電池模組溫度超過限值時，能有效散熱和降溫；u 低溫條件下的快速加熱，使得電池系統(tǒng)處于能正常運(yùn)行的溫度范圍；u 保證電池組溫度場的均勻分布，降低單體電池之間的溫度差異。熱管理系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)是根據(jù)整車典型的運(yùn)行工況和鋰離子電池的發(fā)熱功率，選擇適合的熱管理方式，基于電池的溫度特性合理設(shè)計熱管理策略，保證電池包內(nèi)各個電池都工作在合理溫度范圍，同時盡量維持電池包內(nèi)各個電池及電池模組之間的溫度均勻性。一、冷卻方案設(shè)計常見的冷卻方案主要有：自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷和直冷，這四種冷卻方式的冷卻效率依次增強(qiáng)。1. 自然冷卻采用自然冷卻散熱方式是典型的以空氣為傳熱介質(zhì)的被動散熱方案，直接讓電池箱體內(nèi)部的空氣穿過電池模組，通過空氣與電池、電池箱體等導(dǎo)熱部件之間的對流換熱實現(xiàn)對電池進(jìn)行冷卻的目的。自然冷卻方案具有結(jié)構(gòu)簡單、零部件數(shù)量少、成本低等優(yōu)點，是目前應(yīng)用范圍最廣泛的一種散熱方式。2. 強(qiáng)制風(fēng)冷自然冷卻的方案比較容易實現(xiàn)，但其散熱效果有限。強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇使空氣產(chǎn)生強(qiáng)制對流將電池箱體內(nèi)部電池的熱量經(jīng)過排風(fēng)風(fēng)扇帶走，散熱效率比自然冷卻更高。我司早期快充及混合動力車型多數(shù)采用強(qiáng)制風(fēng)冷，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低，缺點是對動力電池內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計要求較高、溫度一致性較難控制、防護(hù)等級很難達(dá)到IP67.強(qiáng)制風(fēng)冷原理 強(qiáng)制風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的電池箱體3. 液體冷卻液體冷卻的制冷效果遠(yuǎn)超于自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷。在復(fù)雜工況下，尤其在高放電倍率（如插電式混合動力應(yīng)用）、高充電倍率（如快充應(yīng)用場合）、較高的運(yùn)行環(huán)境溫度（南方夏季酷熱天氣，氣溫35）時，依靠自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷很難滿足散熱需求，而且電池之間的溫度不均衡性也非常突出，因此需要效率更高的傳熱介質(zhì)才能達(dá)到電池包的散熱需求。液體介質(zhì)相對于空氣介質(zhì)擁有更大的導(dǎo)熱系數(shù)，通常的設(shè)計是電池的熱量通過液冷板外壁與液體介質(zhì)實現(xiàn)換熱。另外，也有將電池直接浸泡在礦物油之中實現(xiàn)換熱。液體冷卻原理圖4. 相變材料冷卻（直冷）相變材料是一種能夠利用自身的相變潛吸收或者釋放系統(tǒng)熱能的材料，在其物相變化過程中，可以從外界環(huán)境吸收熱量或者向外界放出熱量，從而達(dá)到通過能量交換控制環(huán)境溫度和利用能量的目的。此方案在多電池包系統(tǒng)中運(yùn)用較少，不做詳細(xì)介紹。二、加熱方案設(shè)計一般而言，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。由于汽車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，必須對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(zhuǎn)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，而需要設(shè)計金屬外殼體，陶瓷PTC通過加熱外殼體而將熱量傳導(dǎo)給其他結(jié)構(gòu)。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(nèi)部較大的空間。其次，PTC的外殼是金屬件，會存在絕緣理由。除了常規(guī)的陶瓷PTC這類相對硬度較高的材質(zhì)，還存在一類柔性PTC。柔性PTC是指其PTC的組織結(jié)構(gòu)柔軟、重量輕、厚度?。ㄍǔ？勺龅?.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(dá)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(gòu)成，具有良好的傳熱性（標(biāo)準(zhǔn)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。三、保溫方案設(shè)計保溫系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)的功能有點