第四篇：動力電池?zé)峁芾碓O(shè)計研究探討

純電動汽車的主要能量來源為動力電池系統(tǒng)，其性能直接影響整車的經(jīng)濟(jì)性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車最大的區(qū)別是用動力電池作為動力驅(qū)動，而作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機(jī)的重要紐帶，電池管理系統(tǒng)(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池組及各電池單芯的運(yùn)行狀態(tài)，有效預(yù)防電池組自燃，實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件預(yù)警，為保障安全贏得時間。

筆者在梳理電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，為動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計，測試生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統(tǒng)的開發(fā)中關(guān)鍵技術(shù)，今天首先聊一下第四篇章動力電池?zé)峁芾碓O(shè)計研究探討。

圖1電池管理系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)前幾章節(jié)可以發(fā)現(xiàn)電池的溫度對于電池的狀態(tài)參數(shù)估計，電池均衡策略均有重要影響。電池管理系統(tǒng)中合理設(shè)計電池溫控系統(tǒng)，對于電池的工作具有重要作用。因此我們需要從電池生熱機(jī)理，傳熱機(jī)制進(jìn)行分析，然后利用單體模型構(gòu)建電池包進(jìn)行仿真設(shè)計，選取合適的相變材料作為電池工作中的儲熱材料，準(zhǔn)確設(shè)計電池包散熱結(jié)構(gòu)。

●動力電池的產(chǎn)熱機(jī)理

鋰離子電池產(chǎn)生的熱量一般分為四部分：反應(yīng)熱、焦耳熱、極化熱、副反應(yīng)熱。相關(guān)研究表面當(dāng)對電池溫度低于70℃時，電池?zé)崃恐饕山苟鸁岷蜆O化熱組成，當(dāng)電池溫度升高超過70℃時，反應(yīng)熱大幅度增加，占電池?zé)崃恐饕糠帧?/p>

圖2電池?zé)崃康闹饕獦?gòu)成

●動力電池的傳熱機(jī)理

根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，存在溫差的地方都有熱量傳遞，且都是從高溫物體傳遞到低溫物體，而熱量傳遞的三種基本方式為熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。對鋰離子電池來說，這三種熱傳遞方式均有可能存在。

圖3電池傳熱方式

鋰電池正負(fù)極材料和隔膜的多孔結(jié)構(gòu)，電解液趨于靜止?fàn)顟B(tài)，熱對流近乎忽略不計。電池外殼存在包裹材料而且不透明，內(nèi)部與外界熱輻射非常小，電池傳導(dǎo)方式主要是以熱傳導(dǎo)為主。由于電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)特性跟自身因素有關(guān)，因此我們無法改變電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)；但是我們可以通過改變電池表面與外界進(jìn)行熱對流的換熱介質(zhì)和換熱條件，所以我們需要從電池與外界換熱方面考慮，設(shè)計更加高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

●單體電池?zé)崮Ｐ徒⒓膀?yàn)證

建立單體鋰離子電池?zé)崮Ｐ停瑢τ诜抡骐姵爻浞烹娺^程中實(shí)時發(fā)熱情況具有重要作用。行業(yè)內(nèi)一般根據(jù)電池等效比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，密度和生熱速率進(jìn)行計算電池?zé)嵛镄詤?shù)。通過仿真軟件（Anasys Fluent軟件）建立鋰離子電池?zé)崮Ｐ停?a href="http://www.asorrir.com/analog/" target="_blank">模擬生熱溫度場。實(shí)驗(yàn)表面，電池溫升曲線與電池放電倍率成正比，電池?zé)崮Ｐ湍軌驕?zhǔn)確仿真電池表面溫度場變化。

圖4電池充放電表面溫升試驗(yàn)

●電池包散熱方式

根據(jù)傳熱介質(zhì)不同，電池散熱方式主要分為空冷，液冷及相變材料冷卻等三種方式。空氣冷卻，結(jié)構(gòu)簡單，沒有漏液的風(fēng)險，成本較低。但是缺點(diǎn)在于與電池壁面換熱系數(shù)較低，加熱速度慢。液冷優(yōu)點(diǎn)換熱系數(shù)高，冷卻速度快，體積小，但是重量大，有漏液風(fēng)險，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。采用相變材料作為散熱介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由于相變材料在相變時溫度保持恒定的溫度特性，可以將電池組的最大溫差控制在較小的范圍內(nèi)。并且相變潛熱相對很高，少量的材料就可以存儲大量的熱，可明顯降低重量，有利于車輛的輕量化。還有一個顯著的優(yōu)點(diǎn)就是不消耗電池能量。相變材料已然成為動力電池散熱的一種理想介質(zhì)。

目前針對新型輕質(zhì)形狀穩(wěn)定復(fù)合相變材料，主要成分有石蠟，膨脹石墨，高密度乙烯，碳纖維等，目前針對相變材料的發(fā)展方向存在兩個趨勢：

◎采用調(diào)整成分比例進(jìn)行提升導(dǎo)熱材料效率。

◎優(yōu)化相變材料的布置及強(qiáng)度，例如通過3D打印蜂窩結(jié)構(gòu)增加強(qiáng)度，并保證在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后不改變相變材料的導(dǎo)熱率。

總結(jié)：

1.基于相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是相變材料的潛熱存儲有限，在極端情況下，電池產(chǎn)熱無法繼續(xù)吸收，造成熱失控。因此各大電池廠商常用和液冷散熱相結(jié)合方式進(jìn)行。

2. 進(jìn)一步提高 BMS安全性能和故障診斷技術(shù)，安全性能包括熱管理的安全和電池高壓安全，如何更穩(wěn)定的控制電池內(nèi)部熱均衡，防止對車輛和駕駛?cè)藛T造成傷害，尤其在車輛受到外力沖擊作用下，對電池管理安全性能，還需要大量的試驗(yàn)研究，當(dāng)以上問題措施失效時，電池管理系統(tǒng)能夠及時有效做出判斷和預(yù)警保證人員和車輛的安全性，都將是重點(diǎn)研究方向。

審核編輯 ：李倩