新能源汽车电池热管理控制系统设计及实现分析

徐文文　王彬

摘 要：随着全球对环境保护意识的增强和对传统燃油汽车排放污染的担忧，新能源汽车作为一种清洁、高效的交通工具逐渐受到人们的关注和青睐。而作为新能源汽车的核心部件之一，电池的性能和寿命对整个车辆的性能和使用寿命有着重要影响。其中，电池的热管理控制系统是保证电池正常工作和延长电池寿命的关键。文章主要通过对新能源汽车电池热管理控制系统的设计和实现进行分析，以提高新能源汽车电池的性能和寿命。

关键词：新能源汽车 电池 热管理控制系统 设计 实现

动力电池作为新能源汽车的核心部件，会直接影响到新能源汽车的性能。而电池热管理控制系统的有效设计能够延长电池使用寿命，是新能源汽车售卖过程中消费者考虑的重要因素。

1 电池热管理的重要性

1.1 电池温度对性能和寿命的影响

电池温度是电池热管理中的一个重要参数，它对电池的性能和寿命有着重要的影响。在低温环境下，电池的化学反应速率会降低，从而使电池的放电能力减弱，降低电池的功率输出。而在高温环境下，电池的内阻会增加，导致电池的放电能力减弱，同时也会加速电池的自放电速度，降低电池的容量。因此，电池的温度需要控制在适当的范围内，以保证电池能够正常工作并发挥最佳性能。在高温环境下，电池的寿命会大大缩短。高温会导致电池内部材料的老化加速，电解液的蒸发增加，电池的容量衰减加剧，从而缩短电池的使用寿命[1]。而在低温环境下，电池的寿命也会受到影响。低温会导致电池内部材料的脆化，增加电池的内阻，降低电池的容量，从而减少电池的使用寿命。为延长电池的寿命，需要控制电池的温度在合适的范围内。

1.2 电池热管理的需求

过高的温度会导致电池容量的降低，从而缩短设备的使用时间。此外，高温还会加速电池的老化过程，缩短电池的寿命。因此，通过有效的热管理措施，可以保持电池在适宜的温度范围内工作，提高其性能和寿命。过高的温度会增加电池发生热失控或爆炸的风险。这对用户的安全构成威胁，尤其是在移动设备和电动车等高风险场景下。因此，电池热管理的需求在于确保电池的温度稳定在安全范围内，防止潜在的安全事故发生。此外，电池过热会导致能量的浪费和资源的消耗。通过有效的热管理措施，可以减少电池的能量损耗，提高能源利用效率，从而减少对环境的负面影响。

2 电池热管理控制系统的设计原则

2.1 温度监测和控制

在新能源汽车电池热管理控制系统的设计中，温度监测和控制是至关重要的一环。通过在电池组中布置温度传感器，可以实时监测电池组的温度变化。这些传感器能够准确地测量电池组内部和外部的温度，并将数据传输给控制系统。根据电池组的温度变化，控制系统能自动调节冷却系统或加热系统的运行，以保持电池组在适宜的温度范围内工作。这可以通过控制冷却风扇、水泵、加热器等设备的运行来实现。如果电池组的温度过高，会导致电池的过热和损坏，甚至引发火灾等危险[2]。因此，控制系统应及时发出警报并采取相应的措施，如切断电池组的电源或启动紧急冷却系统，以确保安全。随着技术的发展，可以利用人工智能和大数据分析等技术来优化温度监测和控制系统的性能。通过对大量数据的分析，能够提前预测电池组的温度变化，并采取相应的控制策略，以提高电池组的效率和寿命。

2.2 散热系统设计

散热系统的设计能够有效地将电池产生的热量散发出去，保持电池的正常工作温度。散热系统应具备良好的散热效果，确保电池在高温环境下不会过热，从而延长电池的使用寿命。此外，散热系统的设计还应考虑到节能和环保的因素，减少能源的消耗和对环境的影响。在系统的设计中，可采用多种方式来实现散热效果。一种常见的方式是通过散热片或散热器来增大散热面积，提高散热效率。散热片或散热器通常采用金属材料制成，具有良好的导热性能，可以将电池产生的热量快速传导到散热介质中。散热片或散热器的表面积较大，可以增加与周围环境的热交换面积，提高散热效果。散热系统还可采用风冷或液冷的方式来实现散热。风冷散热系统通过风扇或风道将空气引入散热器，利用空气的对流效应将热量带走。液冷散热系统则通过循环泵将散热介质引入散热器，利用液体的导热性能带走热量。这两种方式各有优劣，可根据实际情况选择合适的方式。不仅如此，散热系统的设计还需考虑到散热介质的选择。散热介质应具有良好的导热性能和热稳定性，确保散热效果的同时不会对电池产生负面影响。

2.3 热量回收和利用

在电池充电和放电过程中，会产生大量的热量，如果不加以利用，这些热量将会散失，造成能源的浪费。因此，设计中应该考虑将这些热量回收起来，例如通过热交换器将热量传递给其他系统或设备，用于供暖、制冷或其他用途。热量利用是指将回收的热量用于实际的能量转换或供应[3]。例如，可以利用回收的热量进行汽车内部的空调制冷或供暖，减少对传统能源的依赖。此外，还可将热量用于加热电池系统，提高电池的工作效率和寿命。通过合理利用热量，能够提高能源利用效率，减少能源消耗和环境污染。

在设计热管理控制系统时，需要合理选择和配置热交换器，确保能够有效地回收和传递热量。同时要设计合适的控制策略，根据电池系统的工作状态和需求来调节热量的回收和利用。此外，还需考虑热量的传递和分配方式，确保热量能够被充分利用。

3 电池热管理控制系统的关键技术

3.1 温度传感器选择和布置

温度传感器的选择需要考虑其精度、响应速度、可靠性和适应环境的能力。同时，传感器的布置位置也需要合理安排，确保能够准确测量电池组的温度。在选择温度传感器时，要考虑其精度。电池组的温度变化对于电池的性能和寿命有着重要影响，因此需要选择高精度的传感器来准确测量温度变化。电池组的温度变化非常快，需要选择具有较快响应速度的传感器，以及相应的数据采集和处理系统，确保能及时监测和控制温度。电池组的温度变化对于电池的安全性和稳定性至关重要，传感器的选择要具有高可靠性，才能够准确地监测温度变化并及时采取相应的控制措施[4]。此外，传感器还需要具备适应恶劣环境的能力，如高温、低温、湿度等，这样可以在各种环境条件下正常工作。在传感器的布置方面，需要考虑到电池组的结构和布局。将传感器布置在电池组的关键位置，确保能够准确测量电池组的温度变化。同时，传感器的布置位置还应考虑到传感器与电池组之间的热传导和热辐射，才能在不受到其他因素的干扰的情况下准确测量电池组的温度。

3.2 温度控制算法设计

温度控制算法需要根据电池的工作状态和环境条件来确定合适的温度范围。这可通过传感器实时监测电池的温度，并根据预设的温度范围进行调整。例如，在高温环境下，可通过控制冷却系统的运行来降低电池温度，而在低温环境下，则可通过加热系统来提高电池温度。电池的热容量决定了其吸热和放热的能力，而热传导特性则决定了热量在电池内部的传递速度。基于这些特性，可根据电池的温度变化率和环境温度变化率来调整冷却或加热系统的运行，从而保持电池温度在合适的范围内。过高或过低的温度都会对电池的性能和寿命产生负面影响，并可能导致电池的损坏甚至爆炸。因此，算法需要设置温度上下限，并在温度超出范围时及时采取措施，如停止充放电或调整冷却或加热系统的运行。

3.3 散热系统设计和优化

散热系统的设计和优化对于保证电池组的温度稳定和延长电池寿命至关重要。其设计需要考虑电池组的散热需求和热量产生机制。电池组在充放电过程中会产生大量的热量，如果不能及时散热，会导致电池温度升高，进而影响电池性能和寿命。因此，散热系统需要具备足够的散热能力，能够有效地将电池组产生的热量散发出去[5]。散热系统的优化要考虑散热材料的选择和散热结构的设计。所选材料应具备良好的导热性能和散热性能，以提高散热效率。同时，散热结构的设计要考虑电池组的布局和散热路径，以最大限度地提高散热效果。例如，可以通过增加散热片的数量和面积，增加散热风扇的转速等方式来提高散热效率。此外，散热系统的控制也是关键技术之一。通过合理的控制策略，能够根据电池组的温度变化来调节散热系统的工作状态，保持电池组的温度在安全范围内。例如，通过电池组的温度变化来控制散热风扇的转速，以及调节散热片的工作状态，以实现散热系统的自动调节和优化。

3.4 热量回收和利用技术

热量回收和利用技术目的是通过回收和利用电池系统产生的热量，提高能源利用效率，延长电池寿命，同时提高车辆的续航里程。热量回收技术主要通过热交换器将电池系统产生的热量传递给车辆的其他部件，如暖风系统、空调系统等。通过这种方式，可以减少车辆的能量消耗，提高整体能源利用效率。同时，热交换器还能起到冷却电池系统的作用，防止电池过热，延长电池的使用寿命。热量利用技术则是将回收的热量用于车辆的其他功能，如加热车内空间、加热座椅等。不仅有利于提高车辆的舒适性，还能够减少对车辆电池的能量消耗，延长电池的使用寿命。为了实现热量回收和利用技术，热管理控制系统需要具备一定的智能化和自适应能力。系统需实时监测电池系统的温度和热量产生情况，并根据实际情况进行热量的回收和利用[6]。同时，系统还需要根据外部环境的温度和车辆的工作状态进行调节，保证热量的回收和利用效果。

4 电池热管理控制系统的实现分析

4.1 系统硬件设计

新能源汽车电池热管理控制系统的硬件设计是实现系统功能的重要组成部分。系统需要一个主控制器来负责整个系统的协调和控制。主控制器采用高性能的微处理器或微控制器，具有强大的计算和控制能力。通过传感器来监测电池的温度和其他相关参数，传感器主要包括温度传感器、湿度传感器和压力传感器等。它们将实时监测电池的状态，并将数据传输给主控制器进行处理。系统还需要执行器来控制电池的温度。常见的执行器包括风扇、冷却液泵和加热器等。执行器通过主控制器的指令来调节电池的温度，保持其在安全范围内。另外，系统还需要一些外部接口，用于与其他系统进行通信。例如，系统可通过CAN总线与车辆的其他部件进行数据交换，以实现整车的协调控制。此外，系统还可以通过无线通信模块与外部设备进行数据传输，实现远程监控和控制[7]。

4.2 系统软件设计

系统软件设计是新能源汽车电池热管理控制系统实现的关键环节之一。在系统软件设计阶段，需要根据系统需求和功能设计出合理的软件架构，并实现各个模块的具体功能。首先要明确系统的功能和性能要求。根据需求分析的结果，确定系统的整体架构和模块划分。在新能源汽车电池热管理控制系统中，包括温度监测模块、温度控制模块、故障诊断模块等。紧接着，需要进行系统的软件架构设计。在新能源汽车电池热管理控制系统中，可以采用分层架构，将系统分为应用层、控制层和硬件层。应用层负责用户界面和与用户的交互，控制层负责控制电池温度，硬件层负责与传感器和执行器的通信。在软件架构设计的基础上，需要进行具体模块的设计。要明确每个模块的功能和接口。例如，温度监测模块需要实现对电池温度的实时监测，根据监测结果来控制电池的加热或降温。故障诊断模块要实现对系统故障的检测和诊断，并给出相应的处理措施[8]。在模块设计的过程中，要考虑模块之间的接口设计和数据传输方式。可以使用标准的通信协议来实现模块之间的数据传输，例如CAN总线或者以太网。同时，还需考虑模块的并发性和实时性要求，确保系统能够及时响应用户的操作和监测电池的温度变化。

4.3 系统性能测试和评估

系统性能测试和评估是对新能源汽车电池热管理控制系统进行全面评估和验证的重要步骤。通过系统性能测试和评估，可以提升系统在各种工作条件下的稳定性、可靠性和性能。

系统性能测试主要包括以下几个方面：

（1）功能测试：测试系统的温度控制、故障检测和保护、能量管理等功能是否正常。

（2）性能测试：测试系统在不同工作条件下的性能表现，包括温度控制精度、能耗、响应速度等指标。

（3）稳定性测试：测试系统在长时间运行过程中的稳定性和可靠性，包括系统的故障率、寿命等指标。

（4）兼容性测试：测试系统与其他相关设备或系统的兼容性，确保系统能够正常工作并与其他设备进行数据交互。

系统性能评估主要包括以下几个方面：

（1）性能指标评估：对系统的各项性能指标进行评估，包括温度控制精度、能耗、响应速度等指标，与设计要求进行对比。

（2）故障分析评估：对系统在故障情况下的响应和保护能力进行评估，分析系统对各种故障的检测和处理能力。

（3）稳定性评估：对系统在长时间运行过程中的稳定性和可靠性进行评估，包括系统的故障率、寿命等指标。

（4）兼容性评估：评估系统与其他相关设备或系统的兼容性，确保系统能够正常工作并与其他设备进行数据交互。

5 结束语

新能源汽车电池热管理控制系统是保证电池性能和寿命的关键因素之一。其合理的设计和实施可以有效地控制电池的温度，提高电池的充放电效率，延长电池的使用寿命。系统的设计需要考虑多个因素，包括电池的特性、环境温度、车辆使用情况等。通过合理的算法和控制策略，可以实现对电池温度的精确控制，提高整个系统的效能。系统的实现需要充分考虑系统的稳定性和可靠性，确保系统在各种工况下都能正常运行。

基金项目：2022年校级自然重点项目“集中式汽车检测线故障诊断系统的研究”，项目编号：ZR2022Z1；安徽省高校质量工程项目新能源汽车技术特色高水平专业，项目编号2022tsgsp049。

参考文献：

[1]关贺，吕艳，张元良.新能源汽车电池热管理控制系统设计[J].仪表技术与传感器，2023（4）：66-71.

[2]李活，黄鹏飞，张伟中，江传玉.新能源汽车动力电池热管理系统设计[J].汽车测试报告，2023（13）：80-82.

[3]王保存，明玉健.新能源汽车动力电池热管理系统设计研究[J].汽车测试报告，2023（13）：77-79.

[4]邹艳红.新能源汽车锂电池热管理系统热性能优化控制策略[J].中国设备工程，2022（15）：89-91.

[5]阎明瀚.增程式电动汽车电池热管理系统优化设计策略[J].汽车测试报告，2023（4）：13-15.

[6]董志辉.新能源汽车动力电池散热管理系统优化探讨[J].内燃机与配件，2022（6）：188-190.

[7]田万鹏，陈标.新能源汽车锂电池热管理系统热性能分析与优化控制研究[J].四川轻化工大学学报：自然科学版，2021，34（1）：56-62.

[8]冯治萍.新能源电动汽车的动力电池热管理测试分析[J].专用汽车，2022（12）：68-70.