动力电池简易热管理系统的分析

动力电池简易热管理系统的分析

王浩

安徽江淮汽车集团股份有限公司   安徽合肥 230000

摘要:随着新能源汽车的发展，动力电池在整个新能源汽车的成本中所占的比例越来越大，而且新能源汽车在城市中行驶，经常会遇到交通拥堵的情况，所以在城市道路中行驶时动力电池产生的热量较多。当车辆启动时，动力电池的温度迅速上升，如果没有有效地控制，会引起电池自燃。针对这种情况，目前普遍采用两种方式来降低动力电池的温度：一是利用动力电池的热量来加热冷却；二是在电池管理系统（BMS）中采用冷却方式。动力电池温度过高会影响电池组内单体电池的性能，使电池组内单体电池的电压、温度等参数波动过大，从而引起电池组性能下降。因此，为了确保动力电池能够正常工作在最佳温度范围内，必须对动力电池进行有效地热管理。本文针对不同的热管理方式进行分析比较。

关键词:动力电池；简易热管理；系统分析

锂离子动力电池是新能源汽车的主要能量来源，它由锂离子电池和电池组组成。在汽车中，锂离子电池一般采用低温下充电，高温下放电的方式来提高能量密度。但是由于低温下充电容易使电池内部产生大量的气体，降低电池的容量和放电倍率，严重时会造成电池损坏甚至发生自燃事故。当温度超过80℃时，锂离子电池组就会着火。为了防止这种情况发生，需要采用合理的热管理方式来降低电池组的温度。为了提高电池系统的可靠性和安全性，一般在电动汽车中采用冷却系统。目前使用最广泛的是使用冷却液对电池组进行冷却，但是冷却效率受环境温度、空气湿度和空气流速等因素影响较大。

1.冷却风扇

冷却风扇的类型有许多，根据冷却方式可以分为以下几类：（一）风冷风扇：这种风扇通过空气的对流将热量带走，冷却效果好，但由于风速不高，因此对电池的冷却效果不佳。（二）水循环风扇：这种风扇通过在电池模组内部设置冷却液循环回路来实现对电池模组的冷却，但这种方法的缺点是只能在冷启动时使用。（三）油循环风扇可以在不同的工况下工作，它可以将热量带走，但由于其风量小，不能满足大型电池模组的散热要求。（四）空气动力风扇是一种被动式冷却方式。这种风扇的结构简单，风量大，能够有效地散热。但由于其不能主动调节风量，所以对电池模组的冷却效果并不理想。

2.冷却风扇的改进方案

冷却风扇的改进方案主要包括以下几个方面：（一）通过增加一个高压包来提高冷却效率。在传统的冷却风扇中，通过高压包将热量传递给冷却液。如果采用这种方案，高压包的体积将会增加，重量也会增加。（二）在风扇中添加冷却液循环回路。为了使冷却风扇的效率得到提高，可以在风扇内部加入冷却液循环回路。这种方案不仅可以减少风扇的体积，而且可以提高冷却效率。（三）将冷却液循环回路与高压包连接起来。（四）采用多级风扇进行冷却。在不同的温度下，风扇的转速会有所不同，从而影响到冷却效果。这种方案不仅可以提高效率，还可以降低成本。

3.水冷散热器

水冷散热器是一种以水为介质的散热装置，主要由冷却液循环系统、水泵、水箱、液流管道、阀等部件组成。水冷散热器是目前新能源汽车中常用的一种冷却方式。将动力电池与冷却系统相连，其目的是为了使冷却系统的热量更好地传递给电池，使电池组得到更好的散热效果。在实际应用中，动力电池的温度会受到环境温度、电池工作电压、电流等多种因素的影响，所以冷却系统在设计时必须要考虑这些因素。将电池组与冷却系统连接起来，在电池组内部设置了一个冷却液循环回路。锂离子动力电池采用了水冷散热器进行散热，而冷却液循环系统中冷却液则是由水泵从冷却液循环回路中抽取，经过循环回路中的水箱、管路等部件后，再回到锂离子动力电池中。通过对电池组内部冷却液进行循环，可以使电池组得到更好的散热效果。

4.冷却循环回路

冷却循环回路的作用是在动力电池内部形成一个封闭的冷却液循环系统，以使电池组中的每个单体电池都能保持最佳温度，从而确保电池组能够正常工作在最佳温度范围内。这种方案最大的优点是整个系统结构简单，并且可以避免电池内部的热失控。在冷却循环回路的系统中，动力电池冷却回路由两个串联的冷却液循环回路组成。其中一个回路在冷却风扇工作时通入冷却液，另一个回路通过热交换器与冷却风扇进行热交换。每个冷却液循环回路由一个过滤器和一条管路组成。当动力电池的温度升高时，冷却液流经过滤器并将其过滤，从而减少了动力电池的热量。冷却液经过热交换器与冷却液进行热交换，使冷却液温度降低并保持在电池工作温度范围内。当动力电池的温度降至设定值时，热交换器停止工作。在另一个回路中，冷却风扇停止工作，并通过冷却风扇将热量传递给环境空气。

5.仿真结果分析

在充电时，电池的最高温度为45.15℃；在放电时，电池的最高温度为39.49℃；在低温环境下，电池组的温度变化幅度较大；当在高温环境下，电池组的温度变化幅度较小。因此，如果不采用热管理技术来控制电池组的温度，就会使电池工作在极端恶劣的环境下。目前新能源汽车热管理技术主要有以下几种：①水冷散热；②风冷散热；③液冷散热；④相变材料散热。

结束语:

综上所述，本文针对动力电池热管理系统，分别介绍了三种不同形式的冷却风扇和冷却系统的组成和原理。可以看出，本文设计的冷却系统是比较简单的，可以根据电池单体的不同进行组合，并且能够保证较高的效率。但是需要注意的是，对于一些电池单体比较小，且电池数量比较多的电池组来说，采用水冷散热系统可能会造成电池单体之间出现短路现象，因此在设计时应该根据电池数量以及电池组内单体之间的距离等因素确定水冷散热系统。冷却系统的设计过程中，要对不同温度下电池单体在冷却系统中的流量进行估算。当电池组温度高于35℃时，可以采用水冷散热方式；当电池组温度低于35℃时，可以采用风冷散热方式。在设计时，还应该根据实际情况确定是否需要设置电动风扇来进行散热。最后需要指出的是，对动力电池进行热管理时必须考虑到车辆启动时对动力电池产生的影响。

参考文献:

[1]陈昊鹏,张天时,林晓东,高青,韩志武,金英爱,蒋志鹏,杨凯乔,许艺怀,徐晓宇,刘笑言.应用于动力电池热管理的重力型热管仿真研究[J].汽车工程学报,2023,13(01):54-63.

[2]周大翰. 动力电池组热管理系统仿真与优化研究[D].沈阳大学,2022.

[3]何贤,王亚苹,钱程,苏健,胡静.动力电池简易热管理系统的研究[J].制冷学报,2019,40(04):159-166.