一種電動汽車電池熱管理優(yōu)化方案

　　王?恒，張偉波，黃芳芳，朱曉東，趙歡歡，宋開通（奇瑞新能源汽車技術有限公司，安徽?蕪湖?241000）

　　摘?要：通過對電動汽車使用過程中電池熱管理策略的優(yōu)化設計，闡述了電池管理系統(tǒng)的關鍵性，并對電芯的使用壽命、電動汽車的性能提升有很大幫助，對電池熱管理策略的設計具有重要意義。

　　關鍵詞：新能源汽車；純電動汽車；電池管理系統(tǒng)；熱管理策略

　　0 概述

　　電動汽車作為城市清潔能源動力車型，更加環(huán)保、高效。電動汽車的動力來源離不開電池系統(tǒng)，而電池系統(tǒng)則是由一系列電芯通過一定的電氣連接而構(gòu)成的一個整體，由于電芯的工作原理以及銅排、高壓線束等物理連接特性導致電池系統(tǒng)在實際的工作過程中溫度參數(shù)會不斷的發(fā)生變化。

　　溫升特性對電動汽車的使用有著至關重要的影響，不同的溫度下電池的使用壽命不同，更甚如果電池持續(xù)在一個極限的溫度下工作，可能會存在熱失控、熱擴散的風險。結(jié)構(gòu)方面，由于整車的布置空間有限，導致電池包往往都集中在一個很狹小的空間里，沒有有效的散熱空間，車輛的行駛工況以及外界環(huán)境溫度的變化都會對電池的溫度產(chǎn)生顯著的影響，從而間接影響了電動汽車的正常運行。因此，合理、高效的電池熱管理策略，可以使得電動汽車的電池始終保持在一個高效的溫度區(qū)間內(nèi)工作，保障、提供電動汽車運行的可靠性，更是當前電池管理系統(tǒng)熱管理策略發(fā)展的核心方向。

　　1 傳統(tǒng)電池熱管理溫度采集方式

　　作為電動汽車的動力來源，電池的性能決定了車輛的動力性，電池的壽命和一致性決定了電池的性能，而電池的溫升又會影響其壽命和一致性。所以，開發(fā)合理的熱管理策略使電池保持良好的特性區(qū)間是十分必要的。

　　普遍的電池熱管理溫度采集方式都是采用溫度傳感器（NTC）粘貼在電池模組的鋁鈀上（如圖1所示），當電池在充放電過程中，鋁鈀作為連接電芯的電氣介質(zhì)也將受到不同大小的電流沖擊，隨著持續(xù)充放電的時間延長，電芯、鋁鈀的溫度會逐漸升高，并相互傳遞最終達到熱平衡狀態(tài)。鋁鈀的溫度接近電芯的內(nèi)部溫度，所以可以通過采集鋁鈀的溫升來代替電芯內(nèi)部的溫度，利用此溫度設計電池的熱管理策略。通過電池管理系統(tǒng)實時采集、處理電池包各模組中的溫度信息，當鋁鈀的溫升達到電池管理系統(tǒng)預設警戒值時，等效理解為此時電芯內(nèi)部的溫升也達到了電池報警值，此時電池管理系統(tǒng)開發(fā)發(fā)出指令開啟風扇或冷卻水道，為模組降溫。同理，當模組鋁鈀溫度過低時，可以等效理解為電芯內(nèi)部的溫度也過低，此時電池管理系統(tǒng)會打開電池加熱裝置為電芯加熱，使得電芯的充放電運行都保持在最優(yōu)區(qū)間。

　　2 新型電池熱管理溫度采集方式

　　根據(jù)當前的電芯技術大環(huán)境，電池持續(xù)充放電倍率相對應的電流保持較低，脈沖倍率相對較高，而電池模組鋁鈀的設計規(guī)格很大程度上又取決于電芯的持續(xù)充放電倍率。由于駕駛工況的復雜多變，車輛在運行過程中模組鋁鈀上的電流呈現(xiàn)出脈沖特性，同樣復雜多變。電流的脈沖變化使得鋁鈀的溫度短時間內(nèi)也快速變化，不能正常反應對應狀態(tài)下的電芯內(nèi)部溫度變化，傳統(tǒng)的電池溫度采樣都依賴于模組內(nèi)部匯流排上NTC所采集的溫度，故不能正確反映電池真正的溫升變化，導致電池熱管理策略的異常運行，甚至會產(chǎn)生安全風險。

　　基于以上問題，本文提出了一種優(yōu)化后的電池溫度采集方式及熱管理策略 ： 利 用 模 組 的 結(jié) 構(gòu) 形式，取模組外殼作為溫度采集點，有針對性的設計熱管理策略，可以有效解決上述問題帶來的弊端，使得溫度采集更加接近電池的真實溫升，電池熱管理策略更加合理。

　　3 溫度采集與數(shù)據(jù)分析

　　如圖1所示，取某品牌電芯，選取溫度采樣點A和B，A點經(jīng)過特殊處理，已經(jīng)將溫度采集點集成在了模組內(nèi)部，真實采集了電芯的溫升；B點將溫度采集點設置在模組一定位置的外殼上，同時取模組自帶的溫度采樣點為C。將模組串聯(lián)進實驗臺架中，分別以不同倍率的電流對實驗對象進行充放電并記錄全過程各采樣點溫度變化，如圖2所示。

　　實驗過程中，A點與B點溫升大小、變化趨勢基本重合，可等效為電芯的真實溫度變化；模組自帶溫度采樣點C在實驗過程中溫度變化速率快，特別是峰值電流通過時尤為明顯，不能正確反映此過程中電芯的真實溫度變化。如果按照C點溫度采樣來進行電池熱管理策略開發(fā)，無疑會導致錯誤的結(jié)果。

　　4 溫度補償采集方案

　　上述臺架分析了傳統(tǒng)的溫度采集方法的弊端，電動汽車在實際的使用過程中，往往由若干個模組串聯(lián)起來協(xié)同工作，相應存在若干個溫度采集點，其失效模式可想而知?；谏鲜鲂滦蜏囟炔杉绞剑疚奶峁┝艘环N補償式電池熱管理策略：

　　保持原來的模組溫度采樣點不變，隨即在模組外殼側(cè)壁新增n個溫度采樣，具體信息如下。

　?、賂 ₁ ：NTC1對應主控板T1——1號模組側(cè)壁；

　?、赥 ₂ ：NTC2對應主控板T2——2號模組側(cè)壁；

　　③T ₃ ：NTC3對應主控板T3——3號模組側(cè)壁；

　　??

　　選取溫度修正系數(shù)△T，計算公式如下：

　　其中，T _a 、T _b 、T _N 分別表示1號、2號、N號模組自帶鋁鈀溫度采樣。

　　則：電池系統(tǒng)n個溫度采集點可用溫度如下：

　　??

　　將此溫度采樣修正算法植入電池熱管理策略，通過實際驗證得到圖3所示結(jié)果。如圖3所示，試驗過程中首先將充滿電的電池包進行靜置，保持試驗對象與參考對象達到熱平衡，然后根據(jù)此款電芯的放電能力進行225A電流放電，放電結(jié)束后進行一定時間的靜置，保證所有溫度采樣點熱平衡，再次持續(xù)以150 A電流進行充電，滿電后再次靜置至熱平衡，通過設備記錄試驗全過程溫度變化。

　　可以看出未修正前模組采樣與電芯采樣最大溫差分別為12℃、10℃，最小溫差為-2℃、-2℃ ；通過補償策略修正后模組修正溫度與電芯采樣最大溫差分別為3.1℃、1.5℃，最小溫差均為-1.9℃、-2.4℃，與實測電芯溫度趨于一致，效果較好。

　　綜上：試驗修正后的溫度曲線與實際電芯內(nèi)部溫度采樣曲線溫度變化趨勢一致，可以較為真實地反映電池工作過程中溫度的變化情況。我們可以通過一定的電池熱管理策略并植入以上修正后的溫度值TA、TB等，通過一定的算法最終達到電池熱管理目的。

　　5 結(jié)語

　　本文通過實驗與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，研究了一種全新的電動汽車電池熱管溫度采集方案，主要結(jié)論如下。

　　1）傳統(tǒng)的電池模組溫度采集方式由于匯流排的過流特性會導致溫度采集偏差較大，影響熱管理策略的正常運行；

　　2）優(yōu)化后的電池溫度采集方案通過增加補償溫度采集點以及一定的溫度修正策略最終使電芯溫度的采集更加接近真實值。

　　電池熱管理作為電動汽車的核心管理技術之一，在溫度采集、策略設計等方面仍存在不足。但是，隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，可以通過相關技術積累不斷完善熱管理技術，提供對電池的保護，對延長電池壽命、提高車輛性能具有重要意義。

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第66頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。