電池?zé)峁芾碇R(shí)總結(jié)

1、(1)3.4.1 電池組熱管理系統(tǒng)的功能電池組熱管理系統(tǒng)的主要功能如下：電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；電池組溫度過高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)；低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)；保證電池組溫度場(chǎng)的均勻分布。3.4.2 電池組熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)電池組熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：確定電池最優(yōu)工作溫度范圍；電池?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)；傳熱介質(zhì)選擇;熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；風(fēng)機(jī)與測(cè)溫點(diǎn)選擇3.4.3 電池組熱管理策略熱管理從性質(zhì)上可分為降溫過程和升溫過程。（1）降溫?zé)峁芾斫禍責(zé)峁芾碜钪苯拥哪康氖欠乐闺姵亟M的溫度超過電池工作的最高溫度，進(jìn)一步的要求還包括：控制電池組的溫開，均衡電池箱內(nèi)

2、各點(diǎn)的溫度，保持各單體電池的溫度一致，防止因溫度不同而造成電池組間的電池性能差異。按照降溫介質(zhì)可以分為空氣冷卻法、液體冷卻法和相變材料冷卻法。其中，空氣冷卻是最便宜的方法；液體冷卻除了需要盛放冷卻介質(zhì)的空間，還需在體外有額外的循環(huán)系統(tǒng)，相變材料冷卻的方法較為昂貴19。溫度是一個(gè)慣性比較大的環(huán)節(jié)，因此對(duì)空氣冷卻降溫?zé)峁芾硎褂脺h(huán)的方法來控制，如圖7所示，這樣可以避免因溫度在臨界點(diǎn)波動(dòng)造成風(fēng)機(jī)頻繁啟停。風(fēng)機(jī)狀態(tài)盧后!二度關(guān)閉溫度開啟溫度極眼溫趣圖7冷卻風(fēng)機(jī)的控制策略2）升溫?zé)峁芾韺?duì)于鋰電池而言，低溫下電池負(fù)極石墨的嵌入能力下降。因此，低溫主要是對(duì)鋰電池的充電有負(fù)面影響，對(duì)電池的放電則影響不大200

3、在低溫時(shí)，由于電池的活性差，電池負(fù)極石墨的嵌入能力下降，這時(shí)大電流充電很可能出現(xiàn)電池?zé)崾Э厣踔涟踩鹿省Ｒ虼?，?dāng)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電池溫度過低時(shí)會(huì)發(fā)出控制信息，通知充電機(jī)進(jìn)行小電流充電。另外，由于低溫（低于-10C）環(huán)境下，電池的內(nèi)阻會(huì)增加。在充電過程中，電池就會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，使得電池的溫度逐漸升高。這樣在進(jìn)行一定時(shí)間的小電流充電后，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池的溫度正常后，即可通知充電機(jī)恢復(fù)正常模式充電。綜合以上的策略，鋰電池的熱管理控制流程圖如圖8所示。圖8鋰電池?zé)峁芾砜刂屏鞒虉D二(2)1.2電動(dòng)車電池組熱管理系統(tǒng)BTMS的主要功能BTMS通常有以下幾項(xiàng)主要功能4:(1)保持電池的溫度均衡，以避免電池間

4、的不平衡而降低性能；(2)通過使用氣體、液體、導(dǎo)體與電池直接或間接接觸來主動(dòng)或被動(dòng)加熱/冷卻電池組；(3)消除因熱失控引發(fā)電池失效甚至爆炸等危險(xiǎn)；(4)提供通風(fēng)，保證電池所產(chǎn)生的潛在有害氣體能及時(shí)排出，保證使用電池安全j生。2BTMS設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)2.1確定電池最優(yōu)工作溫度范圍不論在何種氣候條件與車輛運(yùn)行工況下，BTMS都要盡可能地將電池組的工作溫度保持在最優(yōu)的工作溫度范圍內(nèi)。所以設(shè)計(jì)BTMS的前提是要了解電池組最優(yōu)的工作溫度范圍。本文研究的對(duì)象是磷酸鐵鋰電池，具安全工作溫度：充電時(shí)，10+45C;放電時(shí)，30+55C,一般其最優(yōu)工作溫度范圍為1050C5。2.2散熱方式的選擇目前，使用較多的幾

5、種散熱方式為風(fēng)冷散熱、水冷散熱、空調(diào)制冷和熱電制冷6(見表1)。表1幾種散熱方式的比較比較項(xiàng)目風(fēng)冷散熱水冷散熱空調(diào)制冷熱電制冷安裝難易容易一般一般一般冷卻能力一般一般一般好擴(kuò)展性能較好較好一般差使用壽命較長(zhǎng)較長(zhǎng)一般短總體價(jià)格便宜一般一般較貴在綜合考慮了系統(tǒng)制作的難易程度和成本因素后，本文選擇了風(fēng)冷散熱的方式，而且本田公司的思域和豐田的普銳斯也都采用了風(fēng)冷散熱方式。2. 3熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池包內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異會(huì)加劇電池的不一致性，如果長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)造成部分電池過充或過放，進(jìn)而影響電池包的性能與壽命，并埋下安全隱患。電池包內(nèi)電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關(guān)系，通常中間位置的

6、電池容易積累熱量，兩邊的電池散熱情況較好。所以在進(jìn)行電池組系統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量保證電池組散熱的均勻性。對(duì)風(fēng)冷散熱而言，主要分為用行風(fēng)冷和并行風(fēng)冷2種。一般來說，采用并行方式進(jìn)行通風(fēng)更為有效7,每個(gè)電池模塊都可以吹到同樣量的冷風(fēng)，保證了模塊間溫度的一致性，并且電池組的溫度可以用幾個(gè)特定位置的溫度傳感器來顯示，便于電池管理器對(duì)溫度的采集80本文采用并行風(fēng)冷進(jìn)行電池組散熱。電池分為上下兩排放置，并由3層支架固定在一起。每層支架上部橫向開有5個(gè)長(zhǎng)條形孔（通道15）,3層支架上的孔構(gòu)成了縱向的5個(gè)通道，用于氣流通過。空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入下部導(dǎo)（集）流板，分成5股氣流對(duì)電池進(jìn)行冷卻，最后在上部導(dǎo)（集

7、）流板匯集后從出風(fēng)口排出（見圖1）。圖】電池組及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2. 4結(jié)構(gòu)形式的分析表2不同的通道間距本文主要是通過調(diào)整通道的間距以及改變集流板的傾斜角度，找出流速均勻性最好的散熱結(jié)構(gòu)。對(duì)于調(diào)整通道的間距，一種是間距均等，另一種是使通道問距從左至右依次減小，通道間距的遞減值分別為1、2和3mm,則每種方案下5個(gè)通道上的實(shí)際間距見表2。間距遞減值/mm通道褊號(hào)123450202020202()12019IX173622018(>141232017141nirn調(diào)整氣流通道的間距，也即是調(diào)整其流動(dòng)阻力，通道間距越小，則意味著阻力越大，當(dāng)氣流通道間距從左至右依次減小時(shí)，阻力依次增大，這樣空氣會(huì)根

8、據(jù)其受到的阻力重新分配流量，從而起到調(diào)整空氣流速分布的目的。這是一種直接調(diào)整流速的方法。第2種方法是改變導(dǎo)流板與水平面夾角，本文采用了3種導(dǎo)流板傾斜角度方案，分別是2。、4。和6°。流體流動(dòng)的根本原因就是壓差，上下集流板傾斜角度的變化影響了通道兩側(cè)的壓差，從而間接影響了流速6。這是一種間接調(diào)整流速的方法。2. 5流速均勻性分析本文采用Gambit軟件生成網(wǎng)格，然后導(dǎo)入Fluent軟件來對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行模擬計(jì)算，得到每種結(jié)構(gòu)形式中5個(gè)通道的流速，從而分析間距遞減值和集流板傾斜角度對(duì)流速分布的影響，并確定出使流速均勻性最好的結(jié)構(gòu)形式9見圖25）。234通道處置圖2氣沌通道網(wǎng)距相等通遒位置圖

9、3氣淹通道間咫遞戒1irun1234通道構(gòu)出圖&氣流涌道間距遞減2詢口眄道位置圖5氣流通道間審遞減3皿取每一種結(jié)構(gòu)變動(dòng)形式中的最大流速和最小流速的差值作為指標(biāo)來衡量其流速均勻性，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，流速均勻性最好的結(jié)構(gòu)形式是通道間距遞減值為2mm,導(dǎo)流板傾斜角度為4°的方案。寬度間隔/irnn圖6幾種氣流通道間即下流速差的對(duì)比3. 2熱管理系統(tǒng)控制流程溫度較低時(shí)（-10C）,電池的活性較差，這時(shí)大電流充電可能引發(fā)熱失控。因此，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到溫度過低時(shí)會(huì)發(fā)出控制信息，通知充電機(jī)進(jìn)行小電流充電。充電過程中，部分電能轉(zhuǎn)為熱量，電池會(huì)逐漸升溫。這樣在充電一段時(shí)間后，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池溫

10、度恢復(fù)正常后（10C）,即可通知充電機(jī)停機(jī)。由于低溫主要是對(duì)鋰電池的充電有負(fù)面影響，而電池放電過程屬于放熱反應(yīng)，電池的溫度會(huì)很快上升到適宜溫度。因此，這一過程并不需要主動(dòng)管理11。當(dāng)測(cè)溫模塊檢測(cè)到溫度70C時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；溫度50C時(shí)，風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行；當(dāng)40c（溫度50C時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)入節(jié)電模式采取中速運(yùn)行，直到低于40C時(shí)風(fēng)機(jī)停機(jī)。綜合以上的策略，熱管理控制流程圖參見圖7。3. 3結(jié)果分析在實(shí)驗(yàn)室常溫條件下（25C）幾種電池組散熱方式測(cè)試結(jié)果如表3所示。以上測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的并行通風(fēng)可以明顯降低電池組的溫度，且將溫差控制在3C以內(nèi)，使電池溫度維持在最優(yōu)工作溫度下且單體間溫差最小。圖7鋰電池?zé)峁芾?/p>

11、控制流程圖表3幾種電池組散熱方式測(cè)試結(jié)果測(cè)試條件無通風(fēng)405X14串行通風(fēng)30普通并行通風(fēng)3339改進(jìn)后并行通風(fēng)3235三(3)下面將采用通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)SWB6116HEV混合動(dòng)力客車的LiFePO4電池包散熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并在上述研究的基礎(chǔ)上，找出了影響電池包散熱性能的主要因素，對(duì)電池包散熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了令人滿意的結(jié)果。1LiFePO4電池的熱物理模型為了對(duì)混合動(dòng)力客車電池包中的熱流場(chǎng)進(jìn)行CFD仿真，首先應(yīng)當(dāng)建立單體LiFePO4電池的熱物理模型。同其他類型的車載動(dòng)力蓄電池一樣，LiFePO4鋰離子電池包含正極板、負(fù)極板、隔膜、電解質(zhì)溶液等。由于電池的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，

12、故對(duì)其內(nèi)部熱場(chǎng)的精確仿真存在較大的困難。為此可以對(duì)電池的熱物理模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)1中將電池的發(fā)熱功率處理為關(guān)于電池電流強(qiáng)度的函數(shù)；文獻(xiàn)2中使用了ANSYS軟件對(duì)電池內(nèi)部的熱場(chǎng)分布進(jìn)行了2D有限元仿真，并通過仿真結(jié)果指出：可以將電池內(nèi)部處理為沿三個(gè)正交方向具有不同導(dǎo)熱系數(shù)的均勻固體材料。文獻(xiàn)34給出了通過絕熱實(shí)驗(yàn)測(cè)量單體電池發(fā)熱功率和等效比熱容的方法。根據(jù)文獻(xiàn)4中建立的電池?zé)崞胶庖话隳Ｐ鸵约半姵乇葻崛莸亩x，絕熱條件下有：二”二J三姆/tilmeciTFP"%=I'R-IT-(2);(IT式中：/為單體電池的電流強(qiáng)度，A；R二為地池的內(nèi)阻,n；%為電池的開路電位，v；丁為

13、電池的熱力學(xué)溫標(biāo)，K，%為電池的等效比熱容,J/(kgK),中為電池的發(fā)熱功率一Wj為電池的質(zhì)量，隨為時(shí)間，外式(1)右端的凡均為同電池物性相關(guān)的常量，1:fir則是同電池的電化學(xué)反應(yīng)布美的常量，故式左端的7黑是關(guān)于電池電流強(qiáng)度/的線性函數(shù)。實(shí)驗(yàn)中在絕熱條件下對(duì)單體電池進(jìn)行恒電流放電，當(dāng)放電時(shí)間較短時(shí)'等近似為常量,由此即可以放電電流/為橫坐標(biāo)為縱坐標(biāo),在坐標(biāo)系中繪制出相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在多個(gè)不同電流強(qiáng)度下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，即可得到相應(yīng)的自線。根據(jù)該直線的斜率和截距計(jì)算出單體電池的等效比熱容一以及常量r言，將上述aI結(jié)果代入式(2)中，可進(jìn)一少得到電池的發(fā)熱功率關(guān)于電流強(qiáng)度的函數(shù)。圖1為根據(jù)實(shí)

14、驗(yàn)數(shù)據(jù)繪得的佟I線。對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到電池的發(fā)熱功率為：<P=6.66x1O-3/2-3.()8x1()2/(W)(3)電池的等效比熱容為：,=866.8.1/(kgK)圖1單體電池的熱特性實(shí)驗(yàn)圖線此外根據(jù)鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及傳熱學(xué)中大于串聯(lián)熱阻和并聯(lián)熱阻的計(jì)算公式”，電池沿三個(gè)正交方向的導(dǎo)熱系數(shù)為：仁=1.84,Ay=1.03,七=5.27(單位：WZinK)四（4）1.3幾種常見的車載動(dòng)力蓄電池動(dòng)力蓄電池是混合動(dòng)力車輛的關(guān)鍵技術(shù)裝備之一，要求具有高功率密度、高能量密度、高循環(huán)效率、良好的充電接受能力、低自放電率以及良好的一致性等。目前已有的幾種蓄電池包括鉛酸蓄電池

15、、鍥氫電池、鋰離子電池以及鋅空氣電池1,3卜5。1.3.1 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池（LeadAci。已有100多年的歷史，被廣泛用作內(nèi)燃機(jī)車的啟動(dòng)動(dòng)力源。它可靠性好，原材料易得，目前仍是應(yīng)用最廣泛的車用動(dòng)力蓄電池，但主要用于啟動(dòng)動(dòng)力源。鉛酸蓄電池活性物質(zhì)在充電和放電時(shí)，發(fā)生可逆的化學(xué)變化過程，可以用以下化學(xué)方程式來表示：正槌匏械欣電正檻負(fù)極PbO.+2H.SOA+尸6-PbSOA+2H,+PbSOA充電i鉛酸蓄電池經(jīng)過灌裝電解液和充電后，就可以從蓄電池的接線柱上引出電流。由于鉛酸蓄電池中的H2SO4濃度在放電過程中會(huì)逐漸減小，因此可以用比重計(jì)來測(cè)定H2SO4的密度，再由鉛酸蓄電池的電解液密度確定

16、其放電程度。單體鉛酸蓄電池的電壓為2V,通常所使用的蓄電池組是由多個(gè)單體蓄電池串聯(lián)組成。在使用或存放一段時(shí)間后，單體電池的電壓可能降低到1.8V以下，或者H2SO4溶液的密度下降到31.2g/cm時(shí)，鉛酸蓄電池就必須充電，如果電壓繼續(xù)下降，鉛酸蓄電池將會(huì)損壞。鉛酸蓄電池的特點(diǎn)是開路電壓高，放電電壓平穩(wěn)，充電效率高，能夠在常溫下正常工作，生產(chǎn)技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，規(guī)格齊全。因此國(guó)內(nèi)外開發(fā)的稱之為第一代的電動(dòng)汽車也廣泛使用了鉛酸電池。鉛酸蓄電池作為純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電源，雖尚有許多不足，如存在產(chǎn)生新的環(huán)境污染等問題，但由于其價(jià)格低廉，工藝成熟，特別是近年來密閉技術(shù)已日趨完善，所以鉛酸蓄電池在

17、動(dòng)力電源中仍占有一席之地。1.3.2 鍥氫電池鍥氫電池是一種堿性電池，它的比能量可達(dá)80Wh/kg，比功率160230W/kg,有利于提高混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力性能和延長(zhǎng)其續(xù)駛里程。鍥氫電池可快速充電，循環(huán)壽命達(dá)到1000次以上。鍥氫電池的正極是球狀氫氧化鍥（2Ni（OH）粉末與添加劑鉆等金屬，用塑料和粘合劑等制成的涂膏涂在正極板上。鍥氫電池的負(fù)極是儲(chǔ)氫合金，要求儲(chǔ)氫合金能夠穩(wěn)定地經(jīng)受反復(fù)的儲(chǔ)氫和放氫的循環(huán)。鍥氫電池的電解質(zhì)是水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物。在充電過程中，水在電解質(zhì)溶液中分解為氫離子和氫氧離子，氫離子被負(fù)極吸收，負(fù)極的金屬轉(zhuǎn)化為金屬氫化物。當(dāng)放電過程中，氫離子離開了負(fù)極，氫氧離子

18、離開了正極，氫離子和氫氧離子在電解質(zhì)氫氧化鉀中結(jié)合成水并釋放電能。鍥氫電池的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：正帔倒槌放電正槌的槌十KOH+HNi9H，+KOH十Nt(OH)：無電鍥氫電池用于純電動(dòng)車輛及混合動(dòng)力車輛上的主要優(yōu)點(diǎn)有：起動(dòng)加速性能好,快速充電時(shí)間短，一次充電后的續(xù)駛里程較長(zhǎng)，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染，易維護(hù)，且沒有記憶效應(yīng)。鍥氫電池在充電過程中容易發(fā)熱，在高溫狀態(tài)下，正極板的充電效率變差，并加速正極板的氧化，使電池的壽命縮短。負(fù)極儲(chǔ)氫合金加速氧化，并使儲(chǔ)氫合金平衡壓力增加，儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫量減少，降低鍥氫電池的性能。鍥氫電池在充電后期，會(huì)產(chǎn)生大量的氧氣，如果安全閥不能及時(shí)開啟，會(huì)有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。

19、1.3.3 鋰離子電池鋰離子電池白正極采用2LiMnO等鋰的化合物制造，負(fù)極采用天然球狀石墨或片狀石墨、人造石墨和層狀石墨的鋰一碳化合物(6LiC)等制造。由于鋰的化學(xué)性能活潑，遇到水時(shí)會(huì)發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，所以必須采用非水性電解質(zhì)，通常用有機(jī)溶劑/無機(jī)鹽、無機(jī)溶劑/無機(jī)鹽、固體鋰離子導(dǎo)體或融熔鹽組成。在鋰離子電池中正極采用不同的材料時(shí)，具電化學(xué)氧化反應(yīng)會(huì)略有不同。以MnO2為例：2MuO2+Li+e>LiMn,O鋰離子電池中負(fù)極的還原反應(yīng)為：LiC>6ct+Li+2鋰離子電池顯示出很多優(yōu)點(diǎn)，電壓高達(dá)3.64V,比能量達(dá)到100200Wh/kg,比功率高達(dá)1500W/kg,循環(huán)壽命

20、可達(dá)1000次以上。充電放電效率高，功率輸出密度大，沒有記憶效應(yīng)等。鋰離子電池的主要問題是快速充、放電的性能較差，需要進(jìn)一步解決對(duì)其充放電過程的控制和配備專用的充電器。另外，鋰的制取比較困難，管理和使用較復(fù)雜，要求有嚴(yán)格的安全措施，需要配備電子保護(hù)電路、電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等，因此其附屬裝置更復(fù)雜，也增加了電池組的造價(jià)。1.3.4 鋅空氣電池鋅空氣電池以鋅為正極，以氧為負(fù)極，以氫氧化鉀為電解質(zhì)。鋅空氣電池的化學(xué)反應(yīng)與普通堿性電池類似，但需要特殊的催化劑。在化學(xué)反應(yīng)過程中，必須要與氧氣作用，只要阻隔空氣進(jìn)入鋅空氣電池，即可控制電池的化學(xué)反應(yīng)。因此鋅空氣電池的自放電率很低，可以長(zhǎng)期保持活性。鋅

21、空氣電池的化學(xué)反應(yīng)方程式為：放電2Zn+2ZnO充電鋅空氣電池的理論比能量可達(dá)1350Wh/kg，但目前的鋅空氣電池的實(shí)際比能量值約為180230Wh/kg。采用鋅空氣電池后，能夠明顯地延長(zhǎng)電動(dòng)車輛的續(xù)駛里程。成組的鋅空氣電池具有良好的一致性，沒有像其他類型電池的充電和放電的不均勻現(xiàn)象。鋅空氣電池允許深度放電，其容量不受放電強(qiáng)度和溫度的影響；它能在-2080c的溫度范圍內(nèi)正常工作，可以實(shí)現(xiàn)完全密封免維護(hù)。止匕外，鋅空氣電池在循環(huán)使用中，不會(huì)污染環(huán)境，生產(chǎn)成本也較低。但是，鋅空氣電池目前尚存在壽命短、比功率小，不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。1.4.1電池組熱管理的意義為確?；旌蟿?dòng)力汽車的電池組

22、具有良好的工作性能，并延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)電池組進(jìn)行有效的管理和控制就顯得尤為重要6。從國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)的研究來看，混合動(dòng)力汽車電池組的管理系統(tǒng)主要包括以下四個(gè)方面7:（1）電池荷定狀態(tài)（SO。的準(zhǔn)確估計(jì)；（2）電池組均衡控制策略；（3）電池組熱管理系統(tǒng)；（4）電池監(jiān)控診斷與過載保護(hù)。在傳統(tǒng)的燃油汽車上，電池組多用作發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)及各類車載電子設(shè)備，具功率需求相對(duì)有限，所以對(duì)電池組熱管理的研究在之前并未引起重視。但是隨著各種限制車輛排放的法規(guī)的相繼頒布，以及用戶對(duì)車輛經(jīng)濟(jì)性需求的不斷提升，動(dòng)力電池組已成為混合動(dòng)力汽車行駛時(shí)的主要能源之一。由于電池內(nèi)阻的焦?fàn)栃?yīng)以及電池化學(xué)反應(yīng)生成的反應(yīng)熱

23、，給電池組帶來了很大的熱負(fù)荷。如果不能在車輛行駛過程中及時(shí)地帶走上述熱量，勢(shì)必會(huì)影響電池的工作性能和使用壽命，甚至可能給行車安全帶來了很大的隱患。以常見的Ni/MH電池為例，工作溫度和電流歷史是影響Ni/MH電池壽命的最主要的兩個(gè)因素8oNi/MH電池的最佳工作溫度范圍在20C40C,但是當(dāng)溫度上升到45c時(shí)，其循環(huán)次數(shù)將減小近60%;在高倍率充電時(shí)，每5c的溫升將使電池壽命減半。鋰離子電池也存在相似的問題，不僅如此，由于鋰離子電池的高能量密度以及電池中所包含的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，鋰離子電池存在電解質(zhì)燃燒和熱失控的危險(xiǎn)，在最糟的情況下甚至可能發(fā)生爆炸。由于上述原因，每節(jié)鋰離子單體電池均需要諸如爆炸盤

24、，阻燃電池套等額外的保護(hù)措施9。五（5）2.電池?zé)峁芾黼姵氐臒峁芾硎请姵毓芾硐到y(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是通過風(fēng)扇等冷卻系統(tǒng)和熱電阻加熱裝置使電池溫度處于正常工作溫度范圍。電池管理的重點(diǎn)是通過分析傳感器顯示的溫度和電池組的關(guān)系，確定電池組外殼及電池模塊的合理擺放位置，使電池箱具有有效的熱平衡與迅速散熱功能，通過溫度傳感器測(cè)量自然溫度和箱內(nèi)電池溫度，確定電池箱體的阻尼通風(fēng)孔的大小，以盡可能降低功耗。在電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)過程中面臨的主要問題有：（1）充放電時(shí)產(chǎn)生的反應(yīng)熱如何及時(shí)散出；（2）模塊內(nèi)部單體之間溫度如何達(dá)到均勻分布；（3）在環(huán)境溫度較低情況下如何迅速將電池預(yù)熱到正常工作溫度范圍。電池內(nèi)部的

25、電化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，存在可逆和不可逆的反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，使電池發(fā)熱。電池溫度的急劇上升將導(dǎo)致電池的性能下降而且降低電池的使用壽命。電池運(yùn)行溫度和電池壽命以及電池性能之間的關(guān)系4如圖1所示。因此必須將電池運(yùn)行溫度控制在一定的范圍內(nèi)。c）電池?zé)峁芾砟壳耙呀?jīng)存在多種電池冷卻和升溫的方式，然而對(duì)于不同的電池包的結(jié)構(gòu)形體和合理的通風(fēng)散熱通道設(shè)計(jì)對(duì)電池散熱將帶來很大的影響，另外電池的封裝隔熱保護(hù)也很重要。除此之外將電池內(nèi)傳熱特性（電化學(xué)反應(yīng)與導(dǎo)熱特性）與外部散熱結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)分析將是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的有效途徑。電池管理系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相互聯(lián)系的。對(duì)于混和動(dòng)力汽車動(dòng)力電池而言，其工作電流波

26、動(dòng)很大，而且充放電轉(zhuǎn)換相當(dāng)頻繁，如能通過輔助電容放電使電池既以近似包流工作又能滿足車載要求，通過改變電池工作溫度提高電池的充、放電性能，改變電池存放溫度、濕度降低電池自放電，所有這些都將有利于提高電池SOC估計(jì)的精度，從而進(jìn)一步完善混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)。六（6）1. 1研究的對(duì)象利用CDF方法進(jìn)行熱環(huán)境的數(shù)值模擬時(shí)，必須建立數(shù)學(xué)模型。限于目前國(guó)內(nèi)外CFM算的水平，還無法對(duì)完全真實(shí)的復(fù)雜形狀進(jìn)行數(shù)值模擬，因此，在保證反映環(huán)境真實(shí)流動(dòng)特性的前提下，本文對(duì)某一電動(dòng)汽車電池包的結(jié)構(gòu)作了局部簡(jiǎn)化，并取其中一組作為研究對(duì)象并建立計(jì)算所用的數(shù)學(xué)物理模型，如圖1所示。L2控制方程連續(xù)方.程：這里可以看出D

27、（V）是速度的散度，散度為零是不可壓縮流動(dòng)的連續(xù)方程。動(dòng)量方程；&廠3（-j2c皿：）_Q）_1.-2St+ck+d+dzck+Re'"A0，J次W1.2dt+at+-a+&二一"3/。（MMa（tn）Ur1.2St+Sv+a+還=-a：+aJT程匕A-£湍流模型應(yīng)用最廣。在近墻區(qū)域，常應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)雎面對(duì)數(shù)定理。本文使用的是標(biāo)準(zhǔn)兩方程A-£模型。湍流粘度從下式中被估計(jì)；叫=居這里.，A是湍流運(yùn)動(dòng)能量.£是湍流運(yùn)動(dòng)能量擴(kuò)散的速度，g是一個(gè)常數(shù)。湍流運(yùn)動(dòng)能量和湍流運(yùn)動(dòng)能量擴(kuò)散的速度通過分別解兜這兩個(gè)量的守恒方程中的每一個(gè)來獲得方

28、程如下：XPHOi3(PE/dtCS2PC)8(Pl'k)CrSk.、匚_ar_aeep+說"見($“+J。血一這里*=u+；rfi=分別是A和E°A°S的有效擴(kuò)散系數(shù)；1，是湍流運(yùn)動(dòng)能量:的生成速度，定義為；dU匕=-云方程中的常數(shù)是.,Ci=00Q。人二L0oe=12>C%=I44C,=19Z1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解方法利用GAMBIT軟件建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了盡可能真實(shí)的模擬冷卻氣體在電池包內(nèi)的流動(dòng)情況，在空間較大的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在某些特殊區(qū)域采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如在單體電池的側(cè)面留有的通風(fēng)冷卻通道處。在網(wǎng)格

29、劃分時(shí)，考慮到單體電池側(cè)面之間的通道和底座上出口處屬于氣流速度比較大，所以把長(zhǎng)方形通道和圓形出口分別拉伸出一個(gè)體來，單獨(dú)畫網(wǎng)格并加密。同時(shí)設(shè)置合理的邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)，使加密網(wǎng)格與其他流場(chǎng)處網(wǎng)格保持良好的連接,保證計(jì)算時(shí)的精度。對(duì)于空氣來說，當(dāng)風(fēng)速小于三分之一聲速時(shí)，可以認(rèn)為是不可壓縮氣體，因此，汽車電池包的冷卻流場(chǎng)一般為定常、不可壓縮三維流場(chǎng)。考慮到由于復(fù)雜形狀引起的分離，應(yīng)按湍流處理。應(yīng)用有限差分法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，利用SIMPLEST法解離散控制方程。1.4 邊界條件的設(shè)定由于數(shù)值模擬是在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，需要給出定解條件，即初始條件和邊界條件。它是控制方程有確定解的前提。本文研究對(duì)象有一個(gè)冷

30、卻氣體進(jìn)口，通過安裝的鼓風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。入口邊界條件為速度:V=5m/s,溫度:27C;出口邊界條件為壓力：Pa。冷卻氣體為空氣，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，攝氏27C時(shí)的密度Q=1.177kg/m3,動(dòng)力粘性系數(shù)L=1.847*10-5kg/ms,運(yùn)動(dòng)粘度v=1.568*10-5m2/s。七（7）1.2.1 電池組高溫放電冷卻控制策略當(dāng)BMS檢測(cè)到單體最高溫度大于35c或溫差大于6c時(shí)，熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇開啟；當(dāng)單體最高溫度小于30C或溫差小于3C時(shí)，冷卻風(fēng)扇關(guān)閉。1.2.2 電池組低溫放電加熱控制策略當(dāng)電池箱體最低溫度T<5C時(shí)，加熱電阻絲通電，熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇開啟；當(dāng)電池箱體最低溫度T>10C時(shí)

31、，加熱電阻絲斷電。如果兩箱體溫差A(yù)T>3C,熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇依然開啟，否則熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇停止工作。熱管理系統(tǒng)接到BMS信號(hào)，電阻絲開始加熱，后座椅電池前端進(jìn)風(fēng)口風(fēng)扇和行李廂電池出風(fēng)口大功率風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，將加熱電阻絲發(fā)出的熱量在兩電池箱體內(nèi)部流通進(jìn)行熱交換，完成對(duì)低溫電池組的加熱過程。2.1仿真分析邊界條件空氣采用不可壓縮粘性流體模型，粘滯阻力與20C空氣相當(dāng)，空氣密度為1.18415kg/m3,湍流模型采“kf-湍流模型，空氣流態(tài)屬于紊流二入口邊界采用壓力入口，壓力為0Pa,采用負(fù)速度出口，出口風(fēng)速為10m/so采用STAR_CCM+對(duì)電池內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。八（8）2熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技

32、術(shù)問題基于熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用以及開發(fā)的重要性，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者都發(fā)表了文獻(xiàn)論述熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)勺A.Pesaran6等介紹的電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程比較系統(tǒng)，最具有代表性，其設(shè)計(jì)過程包括7個(gè)步驟：(1)確定熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)和要求通過系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，保障電池組在運(yùn)行中，其整體溫度處于適宜的范圍以及各電池單體溫度的一致性。(2)測(cè)量或估計(jì)模塊生熱及熱容量借助于熱量計(jì)的熱流傳感器，可以測(cè)量電池與熱量計(jì)之間的熱交換，進(jìn)而得到電池模塊的生熱量Q。已知電池模塊的質(zhì)量m和電池運(yùn)行前后溫差(Tm-T。，可以用下列方程計(jì)算出電池的熱容量Cp：(1)C=Q加七一TJ(3

33、)熱管理系統(tǒng)首輪評(píng)估通過選定符合要求的傳熱介質(zhì)，設(shè)計(jì)合理的散熱結(jié)構(gòu)等措施，研究影響電池?zé)嵝?yīng)的各項(xiàng)因素，對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估，使其效果達(dá)到熱管理的目的和要求。(4)模擬單體模塊和電池組的熱行為建立電池?zé)崮Ｐ褪茄芯侩姵責(zé)嵝袨榈挠行Х椒?，美?guó)加州大學(xué)的YufeiChen7將用三維模型計(jì)算了鋰聚合物電池內(nèi)部溫度場(chǎng)，具模型如下：(2)式中：T是溫度；是平均密度；Cp是電池比熱；kx、ky、kz分別是電池在x、v、z方向上的熱導(dǎo)率；q是單位體積生熱速率。電池?zé)嵝袨榈哪M需獲得電池組的生熱速率，但準(zhǔn)確測(cè)量電池的生熱速率非常困難，通常用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。美國(guó)伯克利大學(xué)D.Bemardi7假出的Bema

34、rdi生熱速率使用最為廣泛。式中：，為充放電電流充電為正，放電為負(fù)：孔為電池堂體體積;E為電池單體電壓1為電池開路電壓；丁是溫度；胞是溫度系數(shù)”小)；/一£。,7陛分別表示焦耳熱部分和可逆反應(yīng)熱部分。(5)初步設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力電池的實(shí)際運(yùn)行情況應(yīng)采取不同的熱管理系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮動(dòng)力電池運(yùn)行的不同環(huán)境和工況，選用適宜的導(dǎo)熱材料，合適的傳熱工質(zhì)，有效的加熱和冷卻方式，并且電池模塊在散熱系統(tǒng)中布置問題也是熱管理系統(tǒng)值得重視的。（6）設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)有效性，需對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。結(jié)合動(dòng)力電池實(shí)際運(yùn)行的情況，模擬在不同充放電倍率（0.5C,1C,2c等）

35、，不同環(huán)境溫度（冬季/夏季）以及不同散熱結(jié)構(gòu)布置的情況下，研究動(dòng)力電池的熱效應(yīng)對(duì)電池壽命、容量以及能量效率等性能的影響。3熱管理系統(tǒng)對(duì)于電池?zé)峁芾眍愋偷倪x擇可以按傳熱介質(zhì)進(jìn)行分類，一般分為：空冷，液冷以及相變材料冷卻三種方式。3.1 空冷系統(tǒng)不使用任何外部輔助能量直接利用車速形成的自然風(fēng)將電池的熱量帶走，該方法簡(jiǎn)單易行，成本低。日本豐田公司的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Prius,本田公司的Insight以及以豐田RAV-4電動(dòng)汽車的電池包都采用了空冷的方式。目前空冷散熱通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種8:如圖1所示，冷空氣從左側(cè)吹人從右側(cè)吹出，空氣被電池依次加熱，越往右，空氣的溫度越高，冷卻效果越差。電池箱

36、內(nèi)電池溫度從左到右依次升高，導(dǎo)致電池模塊溫度分布的不一致性，影響電池的冷卻效果。馬口口口口口十如圖2所示，并行通風(fēng)方式使得空氣流在電池模塊間更均勻地分布。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(chǎng)分布的一致性?？梢钥闯?，空冷方式的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量相對(duì)較??；（2）沒有發(fā)生液體泄漏的可能；（3）有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)；（4）成本較低。缺點(diǎn)在于空氣與電池表面之間換熱系數(shù)低，冷卻和加熱速度慢。3.2 液冷系統(tǒng)液冷系統(tǒng)是利用液體相對(duì)于空氣有著較高換熱系數(shù)，可將電池產(chǎn)生的熱量快速帶走，達(dá)到有效降低電池溫度的目的。液體冷卻主要分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。非直接接

37、觸式液冷必須將套筒等換熱設(shè)施與電池組進(jìn)行整合設(shè)計(jì)才能達(dá)到冷卻的效果，這在一定程度上降低了換熱效率，增加了熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)的復(fù)雜性。對(duì)于直接接觸式的液冷系統(tǒng)，通常采用不導(dǎo)電且換熱系數(shù)高的換熱工質(zhì)，常用的有礦物油、乙二醇等。對(duì)于非直接接觸式的液冷系統(tǒng)，可以采用水，防凍液等作為換熱工質(zhì)。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，新型傳熱介質(zhì)納米流體不僅在科研，而且在應(yīng)用上得到很大關(guān)注，納米流體即以一定的方式和比例將納米級(jí)金屬或非金屬氧化物粒子添加到流體中而形成的。研究表明9,在液體中添加納米粒子，可以顯著提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)，提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能。因此將納米流體應(yīng)用于電池?zé)峁芾砑夹g(shù)將會(huì)是將一個(gè)新的研究發(fā)展方向，值得

38、引起廣泛的關(guān)注。表1電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)權(quán)衡分析類型項(xiàng)目空冷系統(tǒng)PCM液體冷卻黑管冷卻易用性容易容易中等中等易集成整合性1容易中等困難困難1冷卻電池能力高于環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度低于環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度冷卻孤度調(diào)節(jié)范國(guó)大小k小適應(yīng)性容易中等中等中等投充能力容易中等困難中等制冷-致性低中等中等中等易維護(hù)性容易中等困難困難熱管理系統(tǒng)使用壽命>20年>20年io年15年系統(tǒng)初期成本低中等高中等年度成本低低中陰高1高九（9）1動(dòng)力電池組散熱模型的建立目前電動(dòng)汽車用電池主要有鉛酸電池、鍥氫電池和鋰離子電池。鉛酸電池應(yīng)用到EV上的時(shí)間比較久，相關(guān)研究比較多。文獻(xiàn)8中研究了超過500萬輛汽車的電池，結(jié)果表明鉛酸電池的壽命隨著溫度增加線性減少。文獻(xiàn)9中評(píng)估了幾種電動(dòng)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(gè)電池組的容