电动汽车锂离子电池组热管理系统设计

周 礼

(湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001)

0 前言

电动汽车以车载电源为动力，通过锂离子电池组中不同元素化学反应产生的能量来带动传动系统，驱动汽车行驶。当电池工作时，电池体内会产生热量，如果这些热量不能及时有效地排出，会造成电池组温度上升和温度分布不均匀，严重影响到电池的使用寿命和安全性能。因此，搭建电动汽车电池组热管理系统，可有效控制电池组的热量排放，提高电池的充放电效率。

本文对电动汽车锂离子电池组热管理系统的设计进行研究，分析了电池组内部电池单体温度差异情况。通过对电池温度变化实施热管理与监控，可保障电池组的可靠性与安全性。在搭建电动汽车电池组热管理系统时，可通过散热、加温、通风等方式对电池温度进行控制，以提高电动汽车电池组的应用效果。

1 电池结构与工作原理

锂离子电池是电动汽车电池组的核心部件，具有电压高、质能比高、循环寿命长、无记忆效应等特点。锂离子电池的标称电压设定为3.6 V，比铅酸蓄电池、镍镉蓄电池等电池的工作电压高。锂离子电池质量小、电压高，电池质能比较高，符合电动汽车轻量化设计要求。锂离子电池具有较好的环境适应性，其工作温度在-20～60 ℃的范围内。锂离子电池充放电过程是通过正价锂离子在正负极间往返运动完成的。锂电池充电过程中，正价锂离子与负价电子结合发生氧化还原反应，正价锂离子从正极移动到负极，到达负极的锂离子会嵌入到碳层微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。锂电池在放电过程中，负极石墨层内的锂离子脱出，从负极运动回到正极，返回正极的锂离子越多，放电容量越高。

2 电池单体热特性

电动汽车电池组出现热量不平衡的现象与电池单体热性有直接关系。在搭建电动汽车电池组热管理系统时，应充分考虑电池单体的热特性变化。

利用型号N7954A的电源系统，对电池充放电过程进行测试，分析电池单体的输出功率及电流分配情况。选择的锂离子电池高度为65 mm，内阻为60 mΩ，容量为3 400 mA，单体质量为48 g，充电电压为4.2 V，放电电压为2.5 V，标准电压为3.7 V。锂离子电池的初始温度为27 ℃，在充电状态下，其工作温度为0～40 ℃；在放电状态下，其工作温度则为-20～60 ℃。在绝热条件下，电池单体热性变化较明显，锂离子电池在放电工作状态下产生的热量会更高。锂离子电池在工作了800 s后，其放电温差为3.16 ℃。因此，电动汽车电池组热管理系统对电池单体的热特性进行控制，可提升电动汽车电池组热管理的控制水平。

3 热管理系统设计

3.1 热管理系统功能

根据电池组的实际状况，搭建并优化热管理系统。通过电池单体热量控制与电池组整体控制相结合的方式，可实现电动汽车电池组热管理控制效果的提升。电池组热管理系统的搭建，可利用通风处理的方式，将电池温度作为监控指标之一实施实时监测，同时针对热量这一参数，在仿真软件上增加系统控制和分析报警功能，多维度提升电动汽车电池组的工作效率。

3.2 设计要点

电动汽车在行驶过程中，为保持汽车的动力性能，应确保电池组在工作时的温度，避免电池单体产生的热量过高，影响电池组的工作效率。因此，在进行电池热管理系统设计时，应根据电池单体性能确定电池组的最优工作温度范围，提高电池组的综合控制效果。不同车型的电池组最优工作温度存在一定差异，因而在控制电池组最优工作温度范围时，应优化操作流程，提高温度控制能力。在搭建电动汽车电池组热管理系统模型时，应先模拟电池组的最优工作温度，并将温度控制在25～40 ℃范围内。由于电池组的导热性能较差，热能传递效率较低，测温点测量出来的温度与电池组的实际工作温度有差异，不能直接使用温度传感器的参数值来代替电池组的实际温度，应采用数学建模的方法来搭建电池组热管理系统模型，并根据测温点测量的温度参数计算电池组的实际温度。

电动汽车电池组热管理系统通常采用的传热介质有空气、液体和相变材料等。空气冷却是最简单的冷却方式，具有设备结构简单、质量较小、成本较低等优点，但空气导热较慢，传热效率不高。液体冷却方式多采用矿物油、水、防冻液等作为非直接接触的传热介质，通过水套等换热设施快速对电池组进行冷却。相变材料是一种新型的冷却介质，相变材料可以直接吸收来自外界的热量，对电池进行冷却降温，冷却效率较高，但其应用成本较高。在搭建电动汽车电池组热管理系统模型时，应建立测温点，并设置温度传感器测量模型温度。通过对比数据发现，温度传感器数量越多，模型温度的测量结果越准确，但同时也增加了系统成本。因此，在热管理系统设计时，应在确保温度测量准确性的前提下，合理选择温度传感器的数量，保证电动汽车电池组散热控制平衡。在实际应用中，还应对外界温度、风力等条件进行综合分析，修正模型温度的准确性。对于以空气为传热介质的电池热管理系统，风机功率的选择是否合理也会影响到系统的工作效率。风机功率越大，散热速率越快，但会相应增加系统成本。因此，在进行电池热管理系统设计时，应综合考虑其性能与成本因素，在降低系统成本的同时提高系统的散热能力。

3.3 系统设计

在进行电池组热管理系统设计时，可使用自动变速器油(ATF)作为能量传递和吸收的介质，并确保满足以下条件：① 电池单体工作温度不超过40 ℃；② 为保证温度上的一致性，电池单体间的温差应控制在5.00 ℃以内；③ 由于采用了液体冷却，应确保系统具有良好的绝缘性，防止泄漏。

在电动汽车电池组热管理系统设计时，应对温度控制与运行的参数进行分析，并在温度变化处理与分析基础上，提高电动汽车电池组热管理系统的应用效果。在搭建并优化电动汽车电池组热管理系统模型时，通过采用冷却液吸收各电池单体热量的冷却控制方式，提升电池单体的散热处理水平，实现电池组快速冷却。

在电动汽车电池组热管理系统模型仿真参数设置中，应对湍流模型进行选择。使用ATF作为散热介质，使用水泵为其提供循环动力，采用强制对流冷却形式。因此，流体的运动状态可通过雷诺数来判断。雷诺数与流体速度有关，通过雷诺数计算，确保散热系统的雷诺数大于临界雷诺数，流体流动方式设置为湍流。此外，还可通过流体动力黏性系数对流体通道进行优化，提高电池组散热效率。

3.4 电池组冷却计算

在实际应用中，电池组冷却系统的热量传递具有明显的耦合特征。因此，可将其视为整体，采用离散法对电池组进行冷却计算。通过微分方程，对电池组的压力、动量、能量等进行离散计算，优化电池组热管理系统的冷却处理过程，提高流场变量的控制效果。此外，还可通过控制迭代计算的方式加速计算收敛速度，提高冷却处理的计算水平。

电动汽车电池组热管理系统边界条件的设置，可通过计算域边界数值来获得，同时应对流体域的出入口位置与散热处理过程进行完善，提高冷却处理水平。其中，入口边界包含速度入口边界、压力入口边界、质量流量入口边界等，由于ATF液压油不可压缩，其密度可设置为常数，通过冷却流速控制，满足冷却处理需求，其质量流量可取值0.03 kg/s。出口边界包含压力出口边界及质量出口边界，在对边界条件进行静压处理过程中，可利用压力出口边界，对出口位置流体的静压进行控制，提高出口边界的优化水平。

结合冷却液流场运动状态，通过调整电池单体与换热介质之间的对流换热系数，实现了对电池组散热结构的调整，将电池组的温差控制在4.54 ℃，使电池组的工作温度得到更好地控制。同时，冷却液流量也是影响热管理控制系统的因素之一，应通过调整循环系统中冷却液流量，控制电池组温度。当电池组工作温度较高时，系统将自动控制增加冷却液流量，对电池组进行快速散热。当电池组工作温度正常时，系统可适当减少冷却液流量，在减少能耗的同时可延长循环水泵的使用寿命。在实际应用中，通过将多个电池组模块联合在一起的方式，可实现对电池能量损耗的控制，提高冷却液流量的综合控制效果。

3.5 搭建散热系统

搭建电动汽车电池组热管理系统时，可通过液冷散热方式，对电池组的温度变化进行保护，保证电池温度的均匀性。可通过优化锂离子电池的放电倍率、标准电压与体积空间等参数，提高散热效果。

电动汽车电池组的外观尺寸设置如下：长度295 mm、宽度94 mm、高度210 mm。在电池组整体结构中组建锂离子动力电池支架、引流线、串流引线和螺栓等部件，提高电池组热管理系统的运行效果。在电池组散热过程中，通过对导线连接的热能转化及电池组夹套设计，提高电池组的稳定性与散热性能。根据电池组的散热要求，合理调整电池组与电池组支架间的缝隙。将肋板高度设置为2.5 mm，以提高电池组的散热效果，并优化电池组的固定结构与电池组的运行状况，提高电池组的运行控制效果。

为了保证拆装电池组时的安全性，应对固定结构进行优化，在确保电池箱密封性良好的基础上，对电池箱与壳体间隙密闭性进行控制，提升系统的安全性。

4 结语

在电动汽车电池组热管理系统设计中，通过电池组流场初始化与结构设计，可使对该系统的整体工作性能得到多方面的提升。在整体结构搭建时，结合了电池组自身的结构与电池单体特性，优化了散热过程，提升了电池组的散热水平。为了保证电池箱的密封性，在壳体与电池箱之间设置了密封圈，并搭建了电池单体热特性模型，提高了电动汽车电池组热管理系统的应用效果。此外，通过改变电池组的流场条件，对电池组整体温度场进行了评估，可供提升电池组散热水平参考。