一種電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)通（奇瑞新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司，安徽?蕪湖?241000）

　　摘?要：通過(guò)對電動(dòng)汽車(chē)使用過(guò)程中電池熱管理策略的優(yōu)化設計，闡述了電池管理系統的關(guān)鍵性，并對電芯的使用壽命、電動(dòng)汽車(chē)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(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；純電動(dòng)汽車(chē)；電池管理系統；熱管理策略

　　0 概述

　　電動(dòng)汽車(chē)作為城市清潔能源動(dòng)力車(chē)型，更加環(huán)保、高效。電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源離不開(kāi)電池系統，而電池系統則是由一系列電芯通過(guò)一定的電氣連接而構成的一個(gè)整體，由于電芯的工作原理以及銅排、高壓線(xiàn)束等物理連接特性導致電池系統在實(shí)際的工作過(guò)程中溫度參數會(huì )不斷的發(fā)生變化。

　　溫升特性對電動(dòng)汽車(chē)的使用有著(zhù)至關(guān)重要的影響，不同的溫度下電池的使用壽命不同，更甚如果電池持續在一個(gè)極限的溫度下工作，可能會(huì )存在熱失控、熱擴散的風(fēng)險。結構方面，由于整車(chē)的布置空間有限，導致電池包往往都集中在一個(gè)很狹小的空間里，沒(méi)有有效的散熱空間，車(chē)輛的行駛工況以及外界環(huán)境溫度的變化都會(huì )對電池的溫度產(chǎn)生顯著(zhù)的影響，從而間接影響了電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)的電池始終保持在一個(gè)高效的溫度區間內工作，保障、提供電動(dòng)汽車(chē)運行的可靠性，更是當前電池管理系統熱管理策略發(fā)展的核心方向。

　　1 傳統電池熱管理溫度采集方式

　　作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，電池的性能決定了車(chē)輛的動(dòng)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(huì )影響其壽命和一致性。所以，開(kāi)發(fā)合理的熱管理策略使電池保持良好的特性區間是十分必要的。

　　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(guò)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(zhù)持續充放電的時(shí)間延長(cháng)，電芯、鋁鈀的溫度會(huì )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部溫度，所以可以通過(guò)采集鋁鈀的溫升來(lái)代替電芯內部的溫度，利用此溫度設計電池的熱管理策略。通過(guò)電池管理系統實(shí)時(shí)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預設警戒值時(shí)，等效理解為此時(shí)電芯內部的溫升也達到了電池報警值，此時(shí)電池管理系統開(kāi)發(fā)發(fā)出指令開(kāi)啟風(fēng)扇或冷卻水道，為模組降溫。同理，當模組鋁鈀溫度過(guò)低時(shí)，可以等效理解為電芯內部的溫度也過(guò)低，此時(shí)電池管理系統會(huì )打開(kāi)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)區間。

　　2 新型電池熱管理溫度采集方式

　　根據當前的電芯技術(shù)大環(huán)境，電池持續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格很大程度上又取決于電芯的持續充放電倍率。由于駕駛工況的復雜多變，車(chē)輛在運行過(guò)程中模組鋁鈀上的電流呈現出脈沖特性，同樣復雜多變。電流的脈沖變化使得鋁鈀的溫度短時(shí)間內也快速變化，不能正常反應對應狀態(tài)下的電芯內部溫度變化，傳統的電池溫度采樣都依賴(lài)于模組內部匯流排上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(huì )產(chǎn)生安全風(fēng)險。

　　基于以上問(wèn)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 構 形式，取模組外殼作為溫度采集點(diǎn)，有針對性的設計熱管理策略，可以有效解決上述問(wèn)題帶來(lái)的弊端，使得溫度采集更加接近電池的真實(shí)溫升，電池熱管理策略更加合理。

　　3 溫度采集與數據分析

　　如圖1所示，取某品牌電芯，選取溫度采樣點(diǎn)A和B，A點(diǎn)經(jīng)過(guò)特殊處理，已經(jīng)將溫度采集點(diǎn)集成在了模組內部，真實(shí)采集了電芯的溫升；B點(diǎn)將溫度采集點(diǎn)設置在模組一定位置的外殼上，同時(shí)取模組自帶的溫度采樣點(diǎn)為C。將模組串聯(lián)進(jìn)實(shí)驗臺架中，分別以不同倍率的電流對實(shí)驗對象進(jìn)行充放電并記錄全過(guò)程各采樣點(diǎn)溫度變化，如圖2所示。

　　實(shí)驗過(guò)程中，A點(diǎn)與B點(diǎn)溫升大小、變化趨勢基本重合，可等效為電芯的真實(shí)溫度變化；模組自帶溫度采樣點(diǎn)C在實(shí)驗過(guò)程中溫度變化速率快，特別是峰值電流通過(guò)時(shí)尤為明顯，不能正確反映此過(guò)程中電芯的真實(shí)溫度變化。如果按照C點(diǎn)溫度采樣來(lái)進(jìn)行電池熱管理策略開(kāi)發(fā)，無(wú)疑會(huì )導致錯誤的結果。

　　4 溫度補償采集方案

　　上述臺架分析了傳統的溫度采集方法的弊端，電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際的使用過(guò)程中，往往由若干個(gè)模組串聯(lián)起來(lái)協(xié)同工作，相應存在若干個(gè)溫度采集點(diǎn)，其失效模式可想而知?；谏鲜鲂滦蜏囟炔杉绞?，本文提供了一種補償式電池熱管理策略：

　　保持原來(lái)的模組溫度采樣點(diǎn)不變，隨即在模組外殼側壁新增n個(gè)溫度采樣，具體信息如下。

　?、賂 ₁ ：NTC1對應主控板T1——1號模組側壁；

　?、赥 ₂ ：NTC2對應主控板T2——2號模組側壁；

　?、跿 ₃ ：NTC3對應主控板T3——3號模組側壁；

　　??

　　選取溫度修正系數△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n個(gè)溫度采集點(diǎn)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(guò)實(shí)際驗證得到圖3所示結果。如圖3所示，試驗過(guò)程中首先將充滿(mǎn)電的電池包進(jìn)行靜置，保持試驗對象與參考對象達到熱平衡，然后根據此款電芯的放電能力進(jìn)行225A電流放電，放電結束后進(jìn)行一定時(shí)間的靜置，保證所有溫度采樣點(diǎn)熱平衡，再次持續以150 A電流進(jìn)行充電，滿(mǎn)電后再次靜置至熱平衡，通過(guò)設備記錄試驗全過(guò)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(guò)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(shí)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(xiàn)與實(shí)際電芯內部溫度采樣曲線(xiàn)溫度變化趨勢一致，可以較為真實(shí)地反映電池工作過(guò)程中溫度的變化情況。我們可以通過(guò)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(guò)一定的算法最終達到電池熱管理目的。

　　5 結語(yǔ)

　　本文通過(guò)實(shí)驗與數據分析相結合的方法，研究了一種全新的電動(dòng)汽車(chē)電池熱管溫度采集方案，主要結論如下。

　　1）傳統的電池模組溫度采集方式由于匯流排的過(guò)流特性會(huì )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(guò)增加補償溫度采集點(diǎn)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(shí)值。

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

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