纯电动车电池余热管理

杨旭+屈凡+张进

摘 要 研究了纯电动车乘客车厢对冷、热空调的要求，联合电池组高温时的散热要求、低温时的加热要求以及对多余热量的循环利用性，经过对比分析，了解了电池组热量与热泵空调制冷、制热过程中的交互性，从而通过电池余热管理控制器的控制，设计一个电池余热管理系统，在传导热量的同时，能起到玻璃除霜、保持车内温度的效果，进而提高车内舒适性。

关键词 电池热量；余热管理

中图分类号 TM91 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）08-0055-02

我们身边的电动汽车日益增多，车内的舒适系统也受到了人们的广泛关注。纯电动车辆上边的所有功能的实现，都是由本身电池电能提供的，我们在使用的时候，多个电池组成的电池组，由于高强度放电会源源不断地产生大量的热量，这时候电池产生的热量是影响汽车性能的主要原因之一，它会影响电池的性能与寿命这两个关键因素，如果散热不及时还会让电池遭到永久的损坏。所以我们平时使用电池的时候，只有保证电池在正常的工作温度条件下，才会让电池发挥出最佳的工作效果。

1 锂离子电池热特性

1.1 锂离子电池特点

锂电池与其他电池相比的优点有：可以产生高电压，储存电量充足，使用电池寿命比一般电池要强，没有污染，自身放电量较小，没有记忆效应。

但是，我们身边接触到的锂离子电池不是完美的，我们在使用它一段时间后，锂离子电池储存电量值会减少。我们使用锂离子电池一段时间后，电池中内阻会变大，这就让电池的生热率明显增加。我们长时间令电池充电或者放电都会影响电池的寿命。所以我们应该对锂离子电池储电条件和工作条件进行管理，就可以延长锂离子电池的寿命了。

1.2 锂离子电池产热机理

我们平时使用电池的时候都会在电池当中产生一系列的化学反应，这时候就会产生反应热量。锂离子电池的产热化学反应有：内在电解液的分解，负极材料和电解液反应，电池正极分解，负极材料和粘合剂反应，电解质界面膜分解。除了在这些反应外还有电池中的内阻，内阻中通过电流时候就会产生大量的热，温度较低的时候电池主要是由内阻产热为主，以上这些可以放热的反应都可能让电池工作不稳定。这时候电池中电解液热安全也影响电池动力系统的安全指数。

我们在实际操作，车辆的动力系统需要车载电池具有高电压以及长时间的续航能力等特点，与此同时电池工作产生的大量热能会影响电池以及车辆的安全。这时候给发热的电池降温对于电池性能的使用有着至关重要的联系。

1.3 电池产热量、产热速率计算

我们平时电池工作产生的反应热用Qr来表示，电池极化反应所引发的电池内部能量损失用Qp表示。电池里边有着电解液分解和自身放电反应，这时候带电池的副反应能量损失量可以用Qs表示，电池焦耳热为Qj。所以我们用下面的公式就可以标识电池热源了：

Qr+Qp+Qs+Qj=Qa

2 电池交互热管理

为了让驾驶员处于温度适宜的驾驶室中，当车外的温度达到28℃的时候，车内的空调制冷就会开始工作，对车内温度进行降温。如果室外温度低于16℃的时候，就需要对车呢内进行升温供热。科学研究表明，夏季车内标准温度为22℃～25℃，冬季车内标准温度为20℃～25℃。我们平时熟知的磷酸铁锂动力电池组在温度范围为18℃～45℃之间的时候，它的工作状态最佳。当车内冷热条件和电池组的冷热条件在系统上有一定的联系。这样就可以让电池电池产生的热量与空调制冷或者供热系统联系在一起。如果室外温度比较高的时候，电池组产生的热量不容易散失掉，这样电池自身的温度就快速升高，这时候仅仅靠车辆本身的风冷散热无法满足电池散热的需求。结果就是导致电池组温度越来越高甚至到达45℃。我们可以在这个时候利用汽车空调的制冷系统对电池组进行冷却。如果室外温度为0℃时，这时候电池组的内阻升高的特别快，导致整体性能变差，这时我们可以利用汽车空调的供热系统对电池组进行预热。电池当达到工作温度后就会产生额外的热量。这部分热量可以用于车内供暖。这一个想法需要进行实验的论证。

3 电池余热管理系统

电池内部产生的热能有两部分组成，其中一部分用在了电动汽车供热系统，另一部分是由电池自身吸收了，当车速不同时电池组的产热也是不同的驾驶室内的温度决定电池组的工作初始温度。这时候就需要对不同温度与车速下电池组余热进行精确的计算。我们常见的磷酸铁锂电池在25℃的时候工作效率最高，这时候电池放电容量和额定容量是相等的，所以电池组的余热利用，其温度特点标准值为25℃。

一般电池冷热需求可以大致把它们分为3种：制冷（Tair>28℃）；制冷，制热都不需要（16℃

磷酸铁锂电池组的冷热需求分为3种：散热（Tair>19℃）；无散热需求也无加热需求（16℃

在这个系统中有制冷工况和制热工况两个模式。制热工况分为两种模式，1）只有车内需要供热。2）车内和电池组都需要供热。制冷工况有3个形式。1）电池组需要散热。2）车内需要散热。3）电池组与车内都需要散热。

由图1，电池组由电池组余热管理控制器控制管理，而空调由空调ECU控制，电池组余热控制器与空调ECU之间由CAN总线通讯，电池组与空调之间则有通风管道相连，同时电池组配备有冷却风扇。

由上文可知，锂电池在25℃时工作性能达到较优值，当电池组温度超过25℃时，电池组产生相对于本身来说的剩余热量，此时：

当热泵空调处于运行状态并制暖时，说明车厢内处于缺少热量的状态，而此时电池组产生的多余热量通过与空调之前的通风管道，通过空调出风口送进汽车车厢内，即为车厢提供了热量同时还可起到车窗除霜的作用，又可使空调降低一定的使用功率，节约了能源。

当热泵空调处于运行状态并制冷时，为保持电池组的放电容量与额定容量之比，通过与空调相连的通风管道，为电池组输送一定量的冷风，从而使电池组的工作温度保持在最佳及适宜温度之间，由此增加电池组的使用寿命。

当热泵空调未进行工作时，电池组控制器控制冷却风扇的运行，通过自然风冷与强制风冷想结合的手段，为电池组进行降温，同时，通过监控车内温度，当车内温度高于28℃或低于16℃时，提示驾驶员可开启自动空调进行制冷或制热。

4 结论

未来汽车行业发展的趋势就是纯电动汽车的普及，我们在驾驶电动汽车时候电池组会产生大量的热，我们只有把温度控制在最佳范围内才能让电池组发挥出最佳的工作性能。这时候车内冷热要求与车辆电池的冷热要求就会产生一种即相互配合又存在矛盾的关系，这时候把电池的散色，余热，预热结合在一起，就会成为一个新的电动汽车研究领域，即汽车室内温度与电池的交互热管理。

参考文献

[1]丁鹏，田学锋，葛如海，等.农用车空气悬架的混沌振动特性[J].江苏农业科学，2017，45（8）：202-205.

[2]丁鹏，葛如海.基于模糊控制算法的纯电动汽车空调控制器的研发[J].计算机测量与控制，2015，23（12）：4079-4083.