探讨纯电动汽车锂离子动力电池热原理及温度控制方式

王传经　丁旺　吴敏　王超　王联珠

摘 要：新能源汽车成为当前关注焦点，随着新能源汽车技术瓶颈不断突破，新能源汽车行业获得了突飞猛进的发展，尤其是纯电动汽车获得了资金和政策的强力支持。本文重点探讨纯电动汽车锂离子动力电池热原理及管理系统的研发，实现对纯电动汽车锂离子动力电池组的温度控制，使之在合理的温度区间之内，较好地提升电池的使用寿命。

关键词：纯电动汽车 锂离子 动力电池 温度控制

中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（c）-0090-02

纯电动汽车是使用可再生燃料资源的新能源电动汽车，它以动力电池为核心部件，要明晰纯电动汽车锂离子动力电池的热原理特性，探讨纯电动汽车锂离子动力电池的热管理系统，实现对动力电池温度的合理控制，避免因电池温度过高而引发的不良影响，延长锂离子动力电池的使用寿命，提升纯电动汽车的行驶安全性能。

1 纯电动汽车电池热管理系统及其存在的问题分析

1.1 纯电动汽车电池热管理系统概述

纯电动汽车动力电池热管理系统是基于电池的生热机理和电化学特性，进行科学合理的优化设计，确保动力电池的温度在适宜的充放电区间，有效规避电池温度过高而引发的不良风险。纯电动汽车锂离子动力电池热管理系统由电池箱壳体、传热介质、温度传感器、加热部件、散热部件、夹具等构成，通过温度传感器实现对电池温度的实时、动态监控，确保电池保持在最佳的充放电区间，并保证电池组温度分布的均匀一致性，规避电池组内电池单体的温度失控风险。同时，要选择适宜的空气冷却方式，清除电池内部因化学反应而生成的异味气体，提升电池使用的安全可靠性。

1.2 纯电动汽车电池存在的问题分析

当前的纯电动汽车电池还尚未突破关键技术瓶颈，具体表现出以下方面的问题：（1）续航里程低。纯电动汽车电池组在行驶过程中要消耗大量的能量，难以持续提供行驶里程所需的能量，导致纯电动汽车续航里程偏低。同时，纯电动汽车日趋功能多样化、复杂性的特点，在工作状态下会消耗电池组的部分能量，也会降低汽车的续航里程。（2）电池热管理系统和电池管理系统存在欠缺。纯电动汽车的电池热管理系统及电池管理系统还存在欠缺，难以实现对电池的SOC、SOH、SOE预测和自检，缺乏对电池的过电流、过电压和温度保护，对于整车通信、故障预警和充电控制存在欠缺。（3）其他问题。动力电池价格成本偏高，尺寸及质量也较大，不利于纯电动汽车的加速提升。同时，动力电池基础配套设施还存在不足，导致电池充电缓慢。

2 锂离子动力电池的热原理分析

2.1 锂离子动力电池的结构

锂离子动力电池通过锂离子在正负极间的往返运动实现充放电，由电极引线、正极材料、电解液、隔膜和负极材料构成，其中：正极材料通常选取过渡金属氧化物，如LiFePO4、LiCoO2等；负极材料通过嵌入/脱出锂离子，扩大或缩减锂离子电池的容量；电解液依赖于自身的高离子导电性能，实现正负电极间的电荷输送，提升锂离子电池充放电的存储能量、功率密度及能量密度；隔膜可以防止正负极间的短路现象，确保锂离子通畅无阻地在正负极板间发生电化学反应。

2.2 锂离子电池热特性

锂离子电池的充放电过程是在正负极间经由中间的电解液和隔板，进行往返运动。具体表现为：当锂离子动力电池充电时，由黄色的正极嵌入/脱出，并经由电解液和隔膜进入到蓝色的负极。当锂离子动力电池放电时，由右边蓝色的负板脱插而出，并经由电解液和隔板进入黄色的正极。同时，在锂离子电池充放电的过程中，以热辐射、热传导、热交换为传热的主要体现方式，并会产生化学反应热、欧姆内阻热、极化内阻热等热量，导致电池内部的温度、密度、电解液浓度和活性不断发生变化。

3 立方体锂离子电池组的温度场分析

3.1 锂电池单体及电池组在相同风冷散热条件下的温度场分析

锂离子电池的工作参数包括有：放电倍率、放电电流、放电时间、内部生热等，比较而言，锂离子电池成组排列比单体的散热效率要低，这主要是由于电池组仅有两个面完全接触空气，相较于单体而言散热面积较小，在对流与辐射传热的条件下难以散出电池热量。

3.2 电池组强迫风冷散热装置的降温效果分析

要建立电池组强迫风冷散热装置，实现锂离子动力电池的热管理，可以采用并行通风装置，保证电池周边的气流温度在一定的低温。当电池组在1C放电倍率的条件下，简单的并行通风散热难以达到明显的降温效果；当电池组在2C放电倍率的条件下，能够达到明显的风冷降温效果；当电池组在3C放电倍率的条件下，电池温度急剧升高，存在引发火灾及爆炸的风险，必须安装大功率的制冷装置或采用水冷及相变材料，以实现对温度的冷却处理，有效降低电池组的工作温度。

3.3 电池组强迫水冷散热装置分析

可以建立电池组强迫水冷散热装置，保持5mm的电池间隙，设计扁平的立方体管道，以两个锂电池为一组，共设计六组，每组设置入水口和出水口。

4 锂电池单体及电池组的均衡温控策略分析

为了更加彻底地解决锂电池组的高温问题，单纯的空气冷却方式无法解决电池单体及电池组温度过高的问题，为此，应当对每一节电池和所有电池包进行充放电的均衡，对鋰电池组实施散热处理，减少和规避电池单体过充、过放的问题。

4.1 均衡系统结构分析

在纯电动汽车锂离子动力电池均衡控制系统之中，主要由均衡模块、电压采集模块、控制器模块、PTC加热器、充电机等构成，避免电池组中各电池单体电压不一致而出现的损害。同时，在均衡控制系统之中，要选取适宜的元器件，如选取电能消耗小、阻抗小、压降小的SS13二极管；导通内阻比较小的MOSFET管等，确定合理的电压参数。另外，对电池单体和电池组进行静置、充放电实验，缩减电池单体及电池组间的端电压差异，实现充放电状态下的均衡，避免电池单体过放、过充、欠压而出现的温度失控状态，有效延长锂离子动力电池的使用寿命。

4.2 均衡系统策略分析

电池单体难以为纯电动汽车提供足够的动力支撑，为此要将电池单体进行串联形成电池组，然而因电池单体存在差异性，导致电池组在充放电过程中出现差异性问题。对此可以采用均衡技术加以解决，均衡技术主要包括主动均衡和被动均衡两种方式，其中：被动均衡是电阻放电式均衡，利用电阻消耗电量而产生热能，实现电池放电均衡，要注意只可多个单体同时放电而不可充电。

5 结语

综上所述，纯电动汽车技术日趋完善和成熟，电池热管理系统成为深度研究和开发的重要课题，要明晰和了解纯电动汽车锂离子动力电池的结构及热工作原理，分析立方体锂离子电池组在不同条件下的温度场分布，并从电池生热的源头入手，探讨均衡系统的结构设计和控制策略。未来还要着重研究电池热管理系统的仿真结果与实际结果的分析，基于电池工作中的电流变化状态分析锂离子电池工作过程，并关注电池组温度过低状态下的加热处理研究，拓展锂离子电池温度控制研究的深度。

参考文献

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