寒区汽车动力电池热管理系统保温装置研究

0 引言

近年来，我国交通事业快速发展，随着国家《交通强国规划纲要》的出台，对交通运输工程领域起到了重要的引领和带动作用。随着传统内燃机汽车对环境污染的不断加剧，作为一种新型载运工具的电动汽车越来越受到人们的重视，动力电池作为电动汽车核心部件，在为整车提供能源的同时，其性能的优劣与稳定性直接影响到电动汽车的运行表现。

动力电池作为电动汽车的能量来源，其工作性能受环境温度的影响较大，是电动汽车整体性能关键的一环，其性能的优劣将直接影响到电动汽车的续航里程、寿命和安全性。动力电池的温度对于其放电性能的影响很大，当动力电池温度的温度较高时，会破坏电池的化学平衡，而当电池温度较低时，其反应速度就会变慢，当温度极低(寒区)时，又会造成电池永久损伤

。因此，动力电池热管理系统的研究，对于动力电池保持良好性能，以及电动汽车的正常运行具有重要的意义。

电池热管理系统主要分为电池散热系统和电池预热系统两类。现阶段对动力电池散热研究按照传热介质的不同可分为空气散热、液冷散热和相变材料散热三种方式

。空气散热是利用空气作为传热介质对电池组进行散热，是目前应用范围最广的散热方式。胡伟钦

提出了一种可以有效控制动力电池工作温度的热管理方案。根据外界环境温度，采用空调制冷系统对导热介质强制制冷，或采用PTC作为加热模块，强制对导热介质进行加热，通过管路的热交换确保电池箱处于最佳的工作温度。曾祥兵

等基于理论分析和数值模拟的方法设计了一种新型冷热集成系统。汪鹏伟

和劳永春

分别针对强制风冷式和液冷式锂离子电池热管理系统设计，两种形式的电池热管理系统均对电池的散热、预热起到了一定的作用。

上述对动力电池热管理系统的设计通常考虑了高温散热、低温预热等情况，但对低温环境下动力电池保温的情况很少考虑，尤其对于寒区环境下，对电池的保温不仅可以对电动汽车的低温冷启动起到积极作用，还对于节约能源、延长动力电池寿命都具有重要意义。对此，本文设计一种适用于寒区的电动汽车动力电池热管理系统保温装置，并对于电动汽车的所处的不同工况，制定了电动汽车热管理系统保温装置的控制策略。

1 电动汽车动力电池工作性能分析

作为电动汽车核心部件，动力电池在为整车提供能源的同时，其性能的优劣与稳定性直接影响到电动汽车的运行表现。

由图2动力电池热管理系统工作原理图可知，动力电池热管理系统控制单元实时接收电池温度传感器、电池外部环境温度传感器采集的信息，根据动力电池热管理系统的控制策略，通过计算分析来控制风扇、加热电阻丝、电池保温箱百叶窗等执行机构的工作状态，进而实现动力电池热管理系统的散热、预热和保温的功能。

综上所述，动力电池的高效安全运行，需要从控制电池温度和均衡电池组温度分布两部分入手，当前普遍要求动力电池1

放电工况下温升<8℃，单体之间的温差<5℃，以保证电池组的最佳工作性能。

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(1)温度过高，电化学反应速率加快甚至会导致电化学反应过程异常，引发的电池结构上的不可逆损伤会加剧电池容量和功率衰退；当电池温度升高到突破一定的阈值后，电池热失控的发生几率也会变高。(2)温度过低(如<0℃)，电池的剩余可用功率会明显下降，电池容量和充电能力也会不可避免地流失，强行充电可能造成析锂，穿透

膜继而诱发严重短路事故。一般来说，目前锂离子电池最佳的工作温度范围是25℃～40℃左右。(3)电池组中的温度不均匀性也是值得关注的问题，其引发的放电不均和老化过程不均最终会加剧电池组内单体的不一致性，其中电池组中状态最差的那一部分电池会成为整个系统的短板，这种状态上的差距会导致整个锂离子电池组寿命缩短，提前失效。

通过分析电动汽车动力电池工作性能随温度变化的机理，为加强对动力电池停止工作前本身具有热量的充分利用，设计一种集散热、预热和保温功能于一体的动力电池热管理系统“百叶窗式”保温箱，该系统在低温环境下具有一定的保温功能，动力电池热管理系统保温箱的百叶窗，根据动力电池工作状态由动力电池热管理系统控制其开启或者关闭。动力电池热管理系统百叶窗式保温箱模型如图1所示。

由图3 所示的动力电池热管理系统控制策略，根据电动汽车所处的状态及动力电池的温度进行判断：

中午时分，阿东担心阿里，便蹬着车专程回家一趟。到家时，老巴和阿里正在店里吃盒饭。阿里见阿东，扯着他的手臂，指着老巴的腿说：“爸爸流血。”

为解决上述问题，提升热管理系统的实际应用效果，需设计一种用于寒区电动汽车锂离子电池热管理系统散热保温装置。

2 动力电池热管理系统保温箱设计

2.1 动力电池热管理系统保温箱模型构建

取新制备的样品用相应pH的蒸馏水稀释10倍后，用Zetasizer Nano-ZS纳米粒度仪测定其粒径分布，动态光散射角度固定为90°，样品折射率为1.51。记录液滴的平均粒径和分散系数(PDI)。

2.2 动力电池热管理系统工作原理

动力电池热管理系统采用电阻丝+风扇加热、风扇散热、保温箱保温的动力电池热管理工作模式。当动力电池需要低温预热时，开启电阻丝+风扇加热模式，百叶窗关闭；当动力电池需要散热时，电阻丝停止加热模式，风扇开启，并且百叶窗打开；当动力电池需要保温时，电阻丝停止加热模式，风扇关闭，百叶窗关闭。所设计的动力电池热管理系统“百叶窗式”电池保温箱工作原理如图2所示。

温度是电池的关键参数之一，直接影响电池的化学反应过程，同时电池温升和温度分布会影响电池的安全性以及循环寿命等。动力电池内部在进行复杂的电化学反应的同时必然伴随着产热以及传热过程，产热使电池整体温度升高，传热则重新分配电池内部的温度分布，这些最终都会影响在理论上有最适温度范围的电化学反应过程。因此，温度对动力电池的电化学系统运行、充放电效率、功率、容量、可靠性、安全性和寿命等性能均有密切影响。表1展示了不同温度区间内电池的状态。

3 动力电池热管理系统控制策略

动力电池热管理系统控制策略对于动力电池工作温度的有效调节具有重要作用，如设计的不合理，将会将导致电池组局部温度过高，降低电池充放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥

。

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根据动力锂离子电池的低温特性及电动汽车实际工况运行中的特点，建立应用于低温环境下的动力锂离子电池热管理系统控制策略。控制策略考虑动力电池温度(T)、动力电池外部环境温度(T电外)等因素，通过动力电池热管理系统控制单元对加热电阻丝、风扇、电池保温箱百叶窗等执行机构进行控制，使得电池保温箱运行在合理温度区间，以延长电池寿命和电动汽车的续驶里程。

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根据表1中温度对液态锂离子电池性能的影响情况，所设计的动力电池热管理系统保温箱特点和工作原理，以及电动汽车所处的状态，制定电动汽车动力电池热管理系统控制策略如图3所示。

基于以电池热模型为核心的电池单体热特性的研究，动力电池组热管理可以通过设计先进的热管理结构和相应的策略，在系统层面上调控不同区域内的电池温度差，保证整个电池组处于适合的工作区间，从而提高电池的使用性能。

几年前，第一次与同伴途径郭村时，目光就被这山上的古木拴住。我认得其中的一些，银杏、枫香、槭树、无患子、乌桕、水杉、黄檫，每一株都是一个巨人，身着华服，怀抱焰火，任其长久的燃烧，寂静又热烈，将村庄的马头墙和天空烧灼得如同红海。

(1)当电动汽车处于低温启动状态时，根据电池温度传感器判断电池温度(T)是否超过0℃，当T<0℃时，电阻丝通电加热、风扇工作、百叶窗关闭，以便对动力电池尽快预热；当T≥0℃时，同时判断动力电池温度是否大于动力电池最低适宜工作温度(T

)，当T≥T

时，开启动力电池保温箱百叶窗，电阻丝断电、风扇不工作，否则当T

时，关闭动力电池保温箱百叶窗、电阻丝通电、风扇工作。

(2)当电动汽车处于运行状态时，根据电池温度传感器判断电池温度(T)是否超过动力电池最高适宜工作温度(T

)，当T≥T

时，电阻丝断电、风扇工作、开启动力电池保温箱百叶窗；否则当T

时，电阻丝断电、风扇不工作、开启动力电池保温箱百叶窗。

(3)当电动汽车处于停车状态时，根据电池温度传感器判断电池温度(T)是否超过动力电池最高适宜工作温度(T

)，当T≥T

时，电阻丝断电、风扇不工作、开启动力电池保温箱百叶窗；否则当T

时，电阻丝断电、风扇不工作、关闭动力电池保温箱百叶窗。

上述针对电动汽车所处的不同状态下，电池热管理系统控制单元根据动力电池本体及外部环境温度变化情况，对风扇、加热电阻丝及保温箱百叶窗分别进行控制其开启和关闭状态，对于动力电池保持良好的工作性能，以及延长其使用寿命具有重要作用。

4 结论

对于寒区电动汽车动力电池热管理系统能量利用效率不高的问题，设计一种适合于低温环境下运行的动力电池热管理系统“百叶窗式”电池保温箱，结合动力电池热管理系统工作原理，对此系统设计一种有效实现集散热-预热-保温于一体的动力电池热管理系统控制策略，为寒区电动汽车动力电池热管理系统高效节能的运行、延长动力电池使用寿命，以及加快电动汽车在寒区推广具有重要意义。

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