基于RAV-4的電動汽車電池組風冷系統(tǒng)的研究

　　一、引言

　　電池作為電動汽車中的主要儲能元件，是電動汽車的關(guān)鍵部件，直接影響到電動汽車的性能。

　　電池組熱管理系統(tǒng)作為電池管理系統(tǒng)中不可或缺的部分，它的研究與開發(fā)是現(xiàn)代電動汽車中關(guān)鍵的一環(huán)，也是提高整車性能的重要方面。首先，如果電動汽車電池組長時間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，就會降低電池性能。其次，電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體性能的不均衡。這些都將會縮短電池使用壽命。通過電池包的建模仿真可以看出風冷系統(tǒng)中氣體流動情況，多點溫度測量實時監(jiān)控電池包內(nèi)溫度易于找出損壞電池，及時替換，從而提高整個電池組的壽命。

　　二、電池最優(yōu)工作溫度范圍的確定

　　在不同的氣候條件、不同的車輛運行條件下，電池組熱管理系統(tǒng)要確保電池組在安全的溫度范圍內(nèi)運行，并且盡量將電池組的工作溫度保持在最優(yōu)的工作溫度范圍之內(nèi)。

　　目前電動汽車用電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。鎳氫電池作為比能量較高且使用無污染的新型電池在電動汽車和混合電動汽車中應(yīng)用越來越普遍，本文即以豐田RAV-4電動汽車用鎳氫蓄電池為例對電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)進行分析。

　　鎳氫電池的特性對其熱管理系統(tǒng)的影響很大。電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，存在感應(yīng)和共生的非感應(yīng)的過程。不同的電池反應(yīng)不同，因而有不同的充放電熱特性。鎳氫電池由鎳氫化合物正電極、儲氫合金負電極以及堿性電解液組成。在充放電過程中，氫鎳電池電化學(xué)反應(yīng)表示如下：

　　氫鎳電池的生熱因素主要有4項：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。

　　電池充電過程中的反應(yīng)生熱可以分為兩個階段：在沒有發(fā)生過充電副反應(yīng)之前為第1階段，發(fā)生過充電副反應(yīng)之后為第2階段。

　　第1階段，生熱量主要來自：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。生熱量可用下式計算：

　　第2階段，生熱量主要來自：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。其中大部分的生熱量來自于過充電副反應(yīng)生熱。充電末期和過充電時，過充電副反應(yīng)就開始發(fā)生，其生熱量:

　　電池放電過程中的生熱量主要來自：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。需要指出的是氫鎳電池放電時化學(xué)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，能吸收一部分熱量，所以生熱問題不是很嚴重，生熱量如下:

　　式中Rt——電池內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的和

　　Ic——電池的充電電流

　　Id——電池的放電電流

　　由于陰極反應(yīng)的熱應(yīng)力不同，充電過程的后期（不平穩(wěn)段）比放電過程的后期放出的熱量大得多。

　　圖1是清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室做的某80Ah氫鎳電池不同溫度下電池放電效率實驗。

　　當溫度超過50℃時，電池充電效率和電池壽命都會大大衰減，在低溫狀態(tài)下，電池的放電能力也比正常溫度小得多。圖1所示在溫度高于40℃或者溫度低于0℃時，電池的放電效率顯著降低。從這一點可以推測，鎳氫電池的理想工作溫度應(yīng)該在0～40℃之間。