新能源汽车动力电池热管理系统浅析

新能源汽车动力电池热管理系统浅析

王永鹏

王永鹏

海汇集团有限公司山东日照276526

摘要：随着新能源汽车市场的快速发展，我国动力电池系统的市场也开始发力，并且逐步进入一种狂热状态。动力电池热管理是影响电动汽车电池效能的重要因素，对它的研究有助于电池效能的提高，进而提升电动汽车的整体质量。鉴于此，文章重点就新能源汽车动力电池热管理系统进行研究分析，旨在为业内人士提供一些建议和帮助。

关键字：新能源汽车；动力电池；热管理系统；研究

引言

动力电池热管理是汽车动力电池系统的重要组成部分，它不仅对电池性能、寿命、安全等有重要影响，而且它是电动汽车整车热管理的重要组成部分，与整车热管理有着密不可分的关系。随着电动汽车市场推广程度的逐渐深入，对电池系统热管理的要求也越来越高，目前已有不少学者对动力电池热管理系统进行研究，但是研究仅仅讨论了各种冷却系统，并没有全面分析与探讨完善的热管理系统，还有些研究把问题焦点集中在电池散热上，包括散热结构设计、仿真分析等，很少有研究从总体上较全面的讨论动力电池热管理系统设计。

1新能源汽车动力电池的研究现状

电动汽车运行工况复杂且需要具备一定的动力性、续驶里程和经济性，因此动力电池必须具备较高的电压、比功率、比能量和循环使用次数。目前研究较多的动力电池包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池和镍镉电池。与其它三种动力电池相比，锂离子电池具有更高的单体额定电压，能够减小电池的焦耳能量损失，具有较高的功率密度和比功率，使得装有锂离子的电动汽车具有良好的动力性；具有更高的比能量和能量密度，使得装有同质量和体积的锂离子电池具有更高的续驶里程；具有较高的循环使用次数，能弥补由于价格高带来的成本问题，使得经济性较好。可见，锂离子电池更适合作为需要一定动力性、续驶里程和经济性的电动汽车的动力源。

2新能源汽车动力电池热管理系统研究

2.1高温下电池冷却系统

电池工作时会出现发热现象，其热量主要取决于电池的工作电流及电池本身的化学特性。在电池充放电过程中产生的热量达到峰值，动力电池在充放电时由于放电电流大，产生大量的热，如果热量不能及时散发出去就会导致动力电池性能下降，甚至引发燃烧和爆炸，影响动力电池的使用寿命和安全性。按照冷却介质的不同，可将电池冷却系统分为气体式、液体式和相变材料式。气体式冷却即为常说的风冷，分为串行和并行两种散热方式，如图1所示。其中串行风冷节约空间、易于设计，但散热不均匀、容易导致电池组温度不一致，而采用并行风冷散热方式可以使流过各个电池模块的表面空气量基本相同，散热效果和电池模组间温度一致性较串行式风冷散热效果好。丰田Prius混合动力汽车采用的即为风冷式散热系统，该系统需配备电动风扇，配合加速风的流动性。

图1串行式通风及并行式通风

液体式冷却即为常说的水冷系统，由于空气传热效果不明显，所以相较于空气式冷却系统，液体式冷却效果更为显著，液体式冷却系统的结构也更加复杂。根据电池是否直接和冷却液接触，可将电池液体式冷却分为间接式水冷系统和直接式水冷系统，间接式水冷系统是用高导热性的部件将液体和冷却液隔离开，对冷却液体绝缘性要求较低，且成本低。而直接式水冷系统是将电池直接浸入冷却液中，与冷却液直接接触，导热性能最好，但对冷却液绝缘性要求高，结构复杂，成本高，不方便维修和保养。特斯拉纯电动汽车及奥迪Q5混合动力汽车均采用间接式水冷系统。相变材料从固态转变为液态的过程中会吸收大量热量，可以应用此性能对电池进行散热。相变材料式冷却系统是将电池组置于相变材料中或将相变材料压制成板块，再将其安插在电池模组里，是利用材料的相变潜热能实现电池热能的传递。相较于气体式冷却和液体式冷却，采用相变材料对电池进行热管理的结构设计成本更低，热管理系统冷却部件较少结构简单，无需动力电池输出额外的能量。

2.2低温下电池加热管理系统

动力电池在低温环境下会出现电池容量下降、充放电电流小甚至无法充放电的现象，为保证电动汽车在北方冬季低温环境下能够正常使用，在低温启动时需要对电池组进行加热。根据加热方式的不同，低温环境下电池加热可以分为常规空气加热式、电加热式、相变材料加热式等。常规空气式电池加热系统指的是在电池模组间预留风道，通过风扇将热空气输送到风道中与电池进行对流换热。热空气可以从电机散发出来的热量或车内大功率的电器加热中获取；混合动力汽车还可以利用发动机的运转加热空气，这种加热方式结构简单，制造和运行成本低，但在较低温度启动工况下加热效果不好。相变材料从液态转变为固态过程中释放存储的热量，可应用此特性对电池进行加热和保温，应用相变材料转变的形态转变过程中的特性将其应用在电动汽车热管理上，既能保证低温下对电池加热的要求，又能保证高温下对电池冷却。但相变材料导热性较低，需要加入高导热材料如膨胀石墨、碳纳米管等增加其导热能力，增加了设计和制造的成本。电加热式是利用具有一定电阻的导体通电后产生的焦耳热来加热电池组的一种方式，电加热可以分为直流电加热和交流电加热两种。直流电加热方式在加热过程中所产生的大电流和低温环境下的巨大内阻会使电解液过度气化，使电池内部压力过大，严重时可能发生爆炸；交流电加热方式由于其交流电特性，可以有效防止气体的产生。电加热方式结构简单、加热速率快、适用性好，是现阶段电动汽车加热系统的主要研究方向。

2.3保温系统的基本构成与功能

保温系统与加热系统的功能有点类似，但是严格地讲又有区别。保温系统更多的情况下是为了满足短期内电池系统内部温度热环境在正常区间内，例如在冬天低温下，电动汽车临时停车2个小时后再工作，那么在2个小时时间内，必须要有保温系统的作用，以防止电池系统内部温度过快的下降造成的影响。保温系统设计通常采用保温材料或者保温漆等，起到隔绝的作用，防止电池系统内部温度过快的散发。

结束语

综上所述，文章从理论分析与工程技术的角度，完整地讨论与分析了动力电池热管理系统的各种组成部分与功能，包括冷却系统、加热系统和保温系统，同时根据前人的有关研究与实际设计，对动力电池热管理系统的总体设计流程进行了分析与阐述，从整体上展现了汽车动力电池热管理系统设计的基本目标、基本流程与基本要求。

参考文献：

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