深度混合动力轿车动力合成系统的热平衡研究

孙哲浩

摘 要：新能源汽车的三大核心技术电机、电池、电控中结合新材料、新技术的动力电池，作为新能源汽车的动力来源，是车辆动力性、舒适性、安全性的最终保证。当前的纯电动汽车在续航性能来说，性价比还不能尽如人意，在当前技术和产业链形势下，混合动力汽车则是一条有效途径。同时，新能源汽车的动力电池和内燃机的热管理系统，对未来新能源混合动力汽车设计有着重大的意义。

关键词：混合动力；热管理系统；新能源；HEV TMS

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-07-03

Abstract： The three core technologies of new energy vehicles Power batteries that incorporate new materials and new technologies in motors， batteries， and electronic controls are the power source for new energy vehicles and are the ultimate guarantee for vehicle dynamics， comfort， and safety. Current pure electric vehicles are not as cost-effective in terms of endurance performance. Under the current situation of technology and industry chain， hybrid vehicles are an effective way. At the same time， the thermal management system of the power battery and the internal combustion engine of new energy vehicles will have great significance for the future design of new energy hybrid vehicles.

Keywords： hybrid； thermal management system； new energy； HEV TMS

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-07-03

前言

從全球能源来看，新能源汽车是人们找到的一个行之有效的解决全球性能源危机的良好方案。从全球经济形势来说，新能源汽车背后所带动的整个新型产业链，涉及新材料，包含动力电池、新型极板材料等；从全球环境来看，新能源汽车低碳零排放电池无害化处理，将为全球性的环境危机带来曙光。我国近年来汽车市场的蓬勃发展，带动了一批本土企业的崛起，像比亚迪、广汽传祺、吉利汽车、长城汽车等。数据显示，2015年我国汽车保有量达1.5亿辆，预计2020年汽车保有量将达到2亿辆大关，传统能源汽车带来的诸多环境问题，将使新能源汽车获得一展拳脚的舞台。

1 发展背景

汽车用动力电池应具有较高的能量密度以及输出功率，一般应用在电动车辆、电动工程工具上；或者作为发电、电网系统的调峰补充装置等。

回望动力电池的发展历程，在实践中应用最早的是铅酸蓄电池，其采用二氧化铅作为正极材料、金属铅作为负极材料、硫酸溶液的电解液。这种电池具有成本低、技术成熟的优势。但是其较低的能量密度和比功率，同时含有铅元素，对环境不友好等因素限制了它的发展。

铅蓄电池总的化学方程式为：

另一种应用广泛的是碱性镍镉电池，这种电池的正极材料使用的是氢氧化镍，镉粉作负极活性材料，电解液为氢氧化钾溶液。这种电池与铅酸蓄电池相比而，其比能量和比功率相对较高，易于密封，因此也更容易制造成免维护电池。不过它的诸多缺点也不容忽视，比能量和输出功率仍旧不能满足电动车的应用要求，并且这种电池所具有的记忆效应，这给镉镍电池的发展带来瓶颈。镉的有毒特性，对自然环境有害。在强调对环境友好的当下，是一个不容忽视的问题。

碱性镍镉电池化学方程式为：

充电阳极：2Ni（OH）2-2e—+2OH-==2NiOOH+2H2O

充电阴极：Cd（OH）2+2e-==Cd+2OH-

放电阳极：2NiOOH + 2H2O+2e-==2Ni（OH）2+ 2OH-

放电阴极：Cd+2OH--2e==Cd（OH）2

多年来，随着新材料技术的发展，具有诸多优势的金镍氢动力电池应运而生。这种电池的正极活性物质为氢氧化镍，由于贮氢合金的特性，因此用贮氢合金作负极活性物质。与镍镉电池相比，电池同样使用氢氧化钾溶液为电解液。镍氢电池具有更高的能量密度和比功率，可获得更大的功率输出，同时镍氢电池没有记忆效应，它的充放电循环寿命与镍镉电池相似。其优势在于镍氢电池对环境友好，是一种绿色环保型电池。此外，镍氢电池具有与镉镍电池相同的开路和工作电压等参数，可取代镉镍电池，易于大面积应用推广。

全球各大整车厂商纷纷发力新能源汽车，希望能在这一波技术奇点上有所突破，从而在这个领域占有一定的市场份额。美国的特斯拉定位电动跑车，其Modle系列采用的三元锂电池，是新型电池方案之一；单体电池组合化也是新能源汽车的解决电池有效方案。新材料技术的不断发展，这使新能源汽车的动力电池的性能在不断提高。虽然当下的动力电池能在一定程度上满足城市车辆的一般需求，但是在其他诸多性能上还不能满足实际需求。

2 热平衡对混合动力的影响

2.1 温度因素

新型电池的特点在于无污染无记忆，这种优势可以广泛适用于各种新能源汽车。但新能源汽车的高频率、大电流放电，在这种情况下出现的一些问题应该引起重视，比如过放电现象所导致的动力电池温度剧烈变化，从而影响电池的输出性能。

2.2 单体电池一致性因素

即使严格、先进的工艺，在同一批生产的单体电池中也会存在着较大的差别，当打包成电池组时，单体电池的不一致特性会对这整个电池组的充放电性能有极大影响，从而影响新能源汽车的整体性能。

3 创新电池组分析

新型电池组的创新在于利用三维热模型良好地解决了动力电池的热平衡问题，同时在电池组充放电过程中对温度环境进行控制，使之良好稳定在10-30 摄氏度之间。这种由电解液流动性较差所导致的电解液对流换热问题，以及动力电池内部辐射对散热的影响被良好的解决。在产品材料上，使用介质均匀且密度相同的性能优良材料，进行电池的制造，这也是一种有效的保证动力电池材料厚度相同的方案之一。在电池Cell的连接方式上进行导热系数计算，从理论上保障电池Cell比热容与导热效率的一致性。最后进一步利用非稳态传热能量守恒公式檢验动力电池充放电性能，避免动力电池受剩余电量（SOC）值的影响。

单体电池的工作环境，如放电电流、充电电流、充电电压、充放电压、环境温度、湿度都会对电池组产生影响。较稳定的电网环境会保障动力电池稳定的充电电压和电流，从而延长使用寿命，并为汽车可靠运行提供强有力的保障。保持动力电池充电时电流的稳定性以及后期电池之间的相互可靠传输都对新型混合动力的新能源汽车的正常重要意义。

4 电池热平衡管理系统（BMS）

电池热平衡管理系统（Battery Management System， BMS）的主要设计目的是使电池组在合适的温度范围内工作，实时将车辆各种即时车况，提供给整车控制系统，使车辆工作在最佳状态，提高车辆整体性能。根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电功率等。电池热平衡管理系统主要监测电池剩余电量soc、温度等参数、电池状态估计、自动热均衡、充放电控制、电池热管理等。

动力电池的热平衡管理相关问题影响其使用性能、使用寿命、使用使用成本和安全性。温度的变化对锂离子动力电池的整体性能有着重大的影响。诸如电池的功率、容量、充放电性能、充放电安全性和使用寿命等。温度较低时，电池的极板、电解液活性降低，化学反应减缓，电池soc迅速衰减，在过低温度下（如低于0℃）对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象，造成内部析锂并进而引发短路。其次，锂离子电池在过充情况下会有鼓涨，甚至爆炸的可能。另外，锂离子电池的工作或者存放温度影响其使用寿命。电池的合适温度在10-30度之间，过高或过低的温度，都将引起电池的性能衰减。电池包和单体电池的温度不均匀使局部温度过高或者过低造成电池一致性降低，从而影响整个电池包的对外放电性能。

混合动力汽车电池热平衡管理系统主要包含以下几个方面：（1）当电池组温度超过或合适的工作温度时，能有效提高和降低温度，保证合适的工作环境，提高动力电池充放电性能。（2）确保电池组整体温度的一致性，提高单体电池的一致性。（3）准确监控动力电池的温度、剩余电量。保持这种环境一般有4种行之有效的方案，其一风冷，其二人工强制风冷、其三水冷、其四冷却相变材料。伴随着新材料技术的不断革新，会出现更多能够为混合动力汽车热平衡提供更有效的合理方案。

5 结语

混合动力汽车动力电池组的热管理系统对整个汽车的使用都具有极其重要的影响，研究电池的热安全性，提高电池组的热效率，增加电池组的一致性可以较好的保障新能源动

力汽车的使用以及寿命。其次研究动力电池的热性能方面的问题建立相应的仿真模型，增加更方面的放电频率，对动力电池组进行冷却分析，并进行相应的优化政策，对动力电池组模型进行不同情况下的模拟验证，以确定最适应三维热模型的各方面要求，寻找最适合新能源汽车的动力电池温度以及放电电流，研究适合混合动力汽车动力的电池组正负极材料以及正负极空隙率和有效接触面积，严谨动力电池的制作水平，以便于更好的投入到实际生产应用中去。

参考文献

[1] 王晓明.吴志新.混合动力电动汽车[J].世界汽车.2004年01期.

[2] 杨亚娟.考虑再生制动的混合动力轿车能量管理策略及多能源集成控制研究[D].合肥工业大学.2012年.