探討純電動汽車鋰離子動力電池?zé)嵩砑皽囟瓤刂品绞?/h1>
2018-03-08 03:13王傳經(jīng)丁旺吳敏王超王聯(lián)珠
科技資訊 2018年36期
王傳經(jīng) 丁旺 吳敏 王超 王聯(lián)珠
摘 要：新能源汽車成為當(dāng)前關(guān)注焦點，隨著新能源汽車技術(shù)瓶頸不斷突破，新能源汽車行業(yè)獲得了突飛猛進的發(fā)展，尤其是純電動汽車獲得了資金和政策的強力支持。本文重點探討純電動汽車鋰離子動力電池?zé)嵩砑肮芾硐到y(tǒng)的研發(fā)，實現(xiàn)對純電動汽車鋰離子動力電池組的溫度控制，使之在合理的溫度區(qū)間之內(nèi)，較好地提升電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞：純電動汽車 鋰離子 動力電池 溫度控制
中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0090-02
純電動汽車是使用可再生燃料資源的新能源電動汽車，它以動力電池為核心部件，要明晰純電動汽車鋰離子動力電池的熱原理特性，探討純電動汽車鋰離子動力電池的熱管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對動力電池溫度的合理控制，避免因電池溫度過高而引發(fā)的不良影響，延長鋰離子動力電池的使用壽命，提升純電動汽車的行駛安全性能。
1 純電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其存在的問題分析
1.1 純電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概述
純電動汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是基于電池的生熱機理和電化學(xué)特性，進行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計，確保動力電池的溫度在適宜的充放電區(qū)間，有效規(guī)避電池溫度過高而引發(fā)的不良風(fēng)險。純電動汽車鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由電池箱殼體、傳熱介質(zhì)、溫度傳感器、加熱部件、散熱部件、夾具等構(gòu)成，通過溫度傳感器實現(xiàn)對電池溫度的實時、動態(tài)監(jiān)控，確保電池保持在最佳的充放電區(qū)間，并保證電池組溫度分布的均勻一致性，規(guī)避電池組內(nèi)電池單體的溫度失控風(fēng)險。同時，要選擇適宜的空氣冷卻方式，清除電池內(nèi)部因化學(xué)反應(yīng)而生成的異味氣體，提升電池使用的安全可靠性。
1.2 純電動汽車電池存在的問題分析
當(dāng)前的純電動汽車電池還尚未突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，具體表現(xiàn)出以下方面的問題：（1）續(xù)航里程低。純電動汽車電池組在行駛過程中要消耗大量的能量，難以持續(xù)提供行駛里程所需的能量，導(dǎo)致純電動汽車續(xù)航里程偏低。同時，純電動汽車日趨功能多樣化、復(fù)雜性的特點，在工作狀態(tài)下會消耗電池組的部分能量，也會降低汽車的續(xù)航里程。（2）電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和電池管理系統(tǒng)存在欠缺。純電動汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及電池管理系統(tǒng)還存在欠缺，難以實現(xiàn)對電池的SOC、SOH、SOE預(yù)測和自檢，缺乏對電池的過電流、過電壓和溫度保護，對于整車通信、故障預(yù)警和充電控制存在欠缺。（3）其他問題。動力電池價格成本偏高，尺寸及質(zhì)量也較大，不利于純電動汽車的加速提升。同時，動力電池基礎(chǔ)配套設(shè)施還存在不足，導(dǎo)致電池充電緩慢。
2 鋰離子動力電池的熱原理分析
2.1 鋰離子動力電池的結(jié)構(gòu)
鋰離子動力電池通過鋰離子在正負極間的往返運動實現(xiàn)充放電，由電極引線、正極材料、電解液、隔膜和負極材料構(gòu)成，其中：正極材料通常選取過渡金屬氧化物，如LiFePO4、LiCoO2等；負極材料通過嵌入/脫出鋰離子，擴大或縮減鋰離子電池的容量；電解液依賴于自身的高離子導(dǎo)電性能，實現(xiàn)正負電極間的電荷輸送，提升鋰離子電池充放電的存儲能量、功率密度及能量密度；隔膜可以防止正負極間的短路現(xiàn)象，確保鋰離子通暢無阻地在正負極板間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。
2.2 鋰離子電池?zé)崽匦?/p>
鋰離子電池的充放電過程是在正負極間經(jīng)由中間的電解液和隔板，進行往返運動。具體表現(xiàn)為：當(dāng)鋰離子動力電池充電時，由黃色的正極嵌入/脫出，并經(jīng)由電解液和隔膜進入到藍色的負極。當(dāng)鋰離子動力電池放電時，由右邊藍色的負板脫插而出，并經(jīng)由電解液和隔板進入黃色的正極。同時，在鋰離子電池充放電的過程中，以熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱交換為傳熱的主要體現(xiàn)方式，并會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)熱、歐姆內(nèi)阻熱、極化內(nèi)阻熱等熱量，導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度、密度、電解液濃度和活性不斷發(fā)生變化。
3 立方體鋰離子電池組的溫度場分析
3.1 鋰電池單體及電池組在相同風(fēng)冷散熱條件下的溫度場分析
鋰離子電池的工作參數(shù)包括有：放電倍率、放電電流、放電時間、內(nèi)部生熱等，比較而言，鋰離子電池成組排列比單體的散熱效率要低，這主要是由于電池組僅有兩個面完全接觸空氣，相較于單體而言散熱面積較小，在對流與輻射傳熱的條件下難以散出電池?zé)崃俊?/p>
3.2 電池組強迫風(fēng)冷散熱裝置的降溫效果分析
要建立電池組強迫風(fēng)冷散熱裝置，實現(xiàn)鋰離子動力電池的熱管理，可以采用并行通風(fēng)裝置，保證電池周邊的氣流溫度在一定的低溫。當(dāng)電池組在1C放電倍率的條件下，簡單的并行通風(fēng)散熱難以達到明顯的降溫效果；當(dāng)電池組在2C放電倍率的條件下，能夠達到明顯的風(fēng)冷降溫效果；當(dāng)電池組在3C放電倍率的條件下，電池溫度急劇升高，存在引發(fā)火災(zāi)及爆炸的風(fēng)險，必須安裝大功率的制冷裝置或采用水冷及相變材料，以實現(xiàn)對溫度的冷卻處理，有效降低電池組的工作溫度。
3.3 電池組強迫水冷散熱裝置分析
可以建立電池組強迫水冷散熱裝置，保持5mm的電池間隙，設(shè)計扁平的立方體管道，以兩個鋰電池為一組，共設(shè)計六組，每組設(shè)置入水口和出水口。
4 鋰電池單體及電池組的均衡溫控策略分析
為了更加徹底地解決鋰電池組的高溫問題，單純的空氣冷卻方式無法解決電池單體及電池組溫度過高的問題，為此，應(yīng)當(dāng)對每一節(jié)電池和所有電池包進行充放電的均衡，對鋰電池組實施散熱處理，減少和規(guī)避電池單體過充、過放的問題。
4.1 均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
在純電動汽車鋰離子動力電池均衡控制系統(tǒng)之中，主要由均衡模塊、電壓采集模塊、控制器模塊、PTC加熱器、充電機等構(gòu)成，避免電池組中各電池單體電壓不一致而出現(xiàn)的損害。同時，在均衡控制系統(tǒng)之中，要選取適宜的元器件，如選取電能消耗小、阻抗小、壓降小的SS13二極管；導(dǎo)通內(nèi)阻比較小的MOSFET管等，確定合理的電壓參數(shù)。另外，對電池單體和電池組進行靜置、充放電實驗，縮減電池單體及電池組間的端電壓差異，實現(xiàn)充放電狀態(tài)下的均衡，避免電池單體過放、過充、欠壓而出現(xiàn)的溫度失控狀態(tài)，有效延長鋰離子動力電池的使用壽命。
4.2 均衡系統(tǒng)策略分析
電池單體難以為純電動汽車提供足夠的動力支撐，為此要將電池單體進行串聯(lián)形成電池組，然而因電池單體存在差異性，導(dǎo)致電池組在充放電過程中出現(xiàn)差異性問題。對此可以采用均衡技術(shù)加以解決，均衡技術(shù)主要包括主動均衡和被動均衡兩種方式，其中：被動均衡是電阻放電式均衡，利用電阻消耗電量而產(chǎn)生熱能，實現(xiàn)電池放電均衡，要注意只可多個單體同時放電而不可充電。
5 結(jié)語
綜上所述，純電動汽車技術(shù)日趨完善和成熟，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成為深度研究和開發(fā)的重要課題，要明晰和了解純電動汽車鋰離子動力電池的結(jié)構(gòu)及熱工作原理，分析立方體鋰離子電池組在不同條件下的溫度場分布，并從電池生熱的源頭入手，探討均衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略。未來還要著重研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的仿真結(jié)果與實際結(jié)果的分析，基于電池工作中的電流變化狀態(tài)分析鋰離子電池工作過程，并關(guān)注電池組溫度過低狀態(tài)下的加熱處理研究，拓展鋰離子電池溫度控制研究的深度。
參考文獻
[1] 邱蔓.新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展文獻綜述[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2017（3）：33-34.
[2] 施尚，余建祖，謝永奇，等.鋰電池相變材料/風(fēng)冷綜合熱管理系統(tǒng)溫升特性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2017（6）：1278-1286.
[3] 侯元元，劉彤，黃裕榮，等.基于專利分析的電動汽車電池技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究[J].科技管理研究，2016，36（22）：157-161.
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王傳經(jīng) 丁旺 吳敏 王超 王聯(lián)珠
摘 要：新能源汽車成為當(dāng)前關(guān)注焦點，隨著新能源汽車技術(shù)瓶頸不斷突破，新能源汽車行業(yè)獲得了突飛猛進的發(fā)展，尤其是純電動汽車獲得了資金和政策的強力支持。本文重點探討純電動汽車鋰離子動力電池?zé)嵩砑肮芾硐到y(tǒng)的研發(fā)，實現(xiàn)對純電動汽車鋰離子動力電池組的溫度控制，使之在合理的溫度區(qū)間之內(nèi)，較好地提升電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞：純電動汽車 鋰離子 動力電池 溫度控制
中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0090-02
純電動汽車是使用可再生燃料資源的新能源電動汽車，它以動力電池為核心部件，要明晰純電動汽車鋰離子動力電池的熱原理特性，探討純電動汽車鋰離子動力電池的熱管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對動力電池溫度的合理控制，避免因電池溫度過高而引發(fā)的不良影響，延長鋰離子動力電池的使用壽命，提升純電動汽車的行駛安全性能。
1 純電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其存在的問題分析
1.1 純電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概述
純電動汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是基于電池的生熱機理和電化學(xué)特性，進行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計，確保動力電池的溫度在適宜的充放電區(qū)間，有效規(guī)避電池溫度過高而引發(fā)的不良風(fēng)險。純電動汽車鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由電池箱殼體、傳熱介質(zhì)、溫度傳感器、加熱部件、散熱部件、夾具等構(gòu)成，通過溫度傳感器實現(xiàn)對電池溫度的實時、動態(tài)監(jiān)控，確保電池保持在最佳的充放電區(qū)間，并保證電池組溫度分布的均勻一致性，規(guī)避電池組內(nèi)電池單體的溫度失控風(fēng)險。同時，要選擇適宜的空氣冷卻方式，清除電池內(nèi)部因化學(xué)反應(yīng)而生成的異味氣體，提升電池使用的安全可靠性。
1.2 純電動汽車電池存在的問題分析
當(dāng)前的純電動汽車電池還尚未突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，具體表現(xiàn)出以下方面的問題：（1）續(xù)航里程低。純電動汽車電池組在行駛過程中要消耗大量的能量，難以持續(xù)提供行駛里程所需的能量，導(dǎo)致純電動汽車續(xù)航里程偏低。同時，純電動汽車日趨功能多樣化、復(fù)雜性的特點，在工作狀態(tài)下會消耗電池組的部分能量，也會降低汽車的續(xù)航里程。（2）電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和電池管理系統(tǒng)存在欠缺。純電動汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及電池管理系統(tǒng)還存在欠缺，難以實現(xiàn)對電池的SOC、SOH、SOE預(yù)測和自檢，缺乏對電池的過電流、過電壓和溫度保護，對于整車通信、故障預(yù)警和充電控制存在欠缺。（3）其他問題。動力電池價格成本偏高，尺寸及質(zhì)量也較大，不利于純電動汽車的加速提升。同時，動力電池基礎(chǔ)配套設(shè)施還存在不足，導(dǎo)致電池充電緩慢。
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2.1 鋰離子動力電池的結(jié)構(gòu)
鋰離子動力電池通過鋰離子在正負極間的往返運動實現(xiàn)充放電，由電極引線、正極材料、電解液、隔膜和負極材料構(gòu)成，其中：正極材料通常選取過渡金屬氧化物，如LiFePO4、LiCoO2等；負極材料通過嵌入/脫出鋰離子，擴大或縮減鋰離子電池的容量；電解液依賴于自身的高離子導(dǎo)電性能，實現(xiàn)正負電極間的電荷輸送，提升鋰離子電池充放電的存儲能量、功率密度及能量密度；隔膜可以防止正負極間的短路現(xiàn)象，確保鋰離子通暢無阻地在正負極板間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。
2.2 鋰離子電池?zé)崽匦?/p>
鋰離子電池的充放電過程是在正負極間經(jīng)由中間的電解液和隔板，進行往返運動。具體表現(xiàn)為：當(dāng)鋰離子動力電池充電時，由黃色的正極嵌入/脫出，并經(jīng)由電解液和隔膜進入到藍色的負極。當(dāng)鋰離子動力電池放電時，由右邊藍色的負板脫插而出，并經(jīng)由電解液和隔板進入黃色的正極。同時，在鋰離子電池充放電的過程中，以熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱交換為傳熱的主要體現(xiàn)方式，并會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)熱、歐姆內(nèi)阻熱、極化內(nèi)阻熱等熱量，導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度、密度、電解液濃度和活性不斷發(fā)生變化。
3 立方體鋰離子電池組的溫度場分析
3.1 鋰電池單體及電池組在相同風(fēng)冷散熱條件下的溫度場分析
鋰離子電池的工作參數(shù)包括有：放電倍率、放電電流、放電時間、內(nèi)部生熱等，比較而言，鋰離子電池成組排列比單體的散熱效率要低，這主要是由于電池組僅有兩個面完全接觸空氣，相較于單體而言散熱面積較小，在對流與輻射傳熱的條件下難以散出電池?zé)崃俊?/p>
3.2 電池組強迫風(fēng)冷散熱裝置的降溫效果分析
要建立電池組強迫風(fēng)冷散熱裝置，實現(xiàn)鋰離子動力電池的熱管理，可以采用并行通風(fēng)裝置，保證電池周邊的氣流溫度在一定的低溫。當(dāng)電池組在1C放電倍率的條件下，簡單的并行通風(fēng)散熱難以達到明顯的降溫效果；當(dāng)電池組在2C放電倍率的條件下，能夠達到明顯的風(fēng)冷降溫效果；當(dāng)電池組在3C放電倍率的條件下，電池溫度急劇升高，存在引發(fā)火災(zāi)及爆炸的風(fēng)險，必須安裝大功率的制冷裝置或采用水冷及相變材料，以實現(xiàn)對溫度的冷卻處理，有效降低電池組的工作溫度。
3.3 電池組強迫水冷散熱裝置分析
可以建立電池組強迫水冷散熱裝置，保持5mm的電池間隙，設(shè)計扁平的立方體管道，以兩個鋰電池為一組，共設(shè)計六組，每組設(shè)置入水口和出水口。
4 鋰電池單體及電池組的均衡溫控策略分析
為了更加徹底地解決鋰電池組的高溫問題，單純的空氣冷卻方式無法解決電池單體及電池組溫度過高的問題，為此，應(yīng)當(dāng)對每一節(jié)電池和所有電池包進行充放電的均衡，對鋰電池組實施散熱處理，減少和規(guī)避電池單體過充、過放的問題。
4.1 均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
在純電動汽車鋰離子動力電池均衡控制系統(tǒng)之中，主要由均衡模塊、電壓采集模塊、控制器模塊、PTC加熱器、充電機等構(gòu)成，避免電池組中各電池單體電壓不一致而出現(xiàn)的損害。同時，在均衡控制系統(tǒng)之中，要選取適宜的元器件，如選取電能消耗小、阻抗小、壓降小的SS13二極管；導(dǎo)通內(nèi)阻比較小的MOSFET管等，確定合理的電壓參數(shù)。另外，對電池單體和電池組進行靜置、充放電實驗，縮減電池單體及電池組間的端電壓差異，實現(xiàn)充放電狀態(tài)下的均衡，避免電池單體過放、過充、欠壓而出現(xiàn)的溫度失控狀態(tài)，有效延長鋰離子動力電池的使用壽命。
4.2 均衡系統(tǒng)策略分析
電池單體難以為純電動汽車提供足夠的動力支撐，為此要將電池單體進行串聯(lián)形成電池組，然而因電池單體存在差異性，導(dǎo)致電池組在充放電過程中出現(xiàn)差異性問題。對此可以采用均衡技術(shù)加以解決，均衡技術(shù)主要包括主動均衡和被動均衡兩種方式，其中：被動均衡是電阻放電式均衡，利用電阻消耗電量而產(chǎn)生熱能，實現(xiàn)電池放電均衡，要注意只可多個單體同時放電而不可充電。
5 結(jié)語
綜上所述，純電動汽車技術(shù)日趨完善和成熟，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成為深度研究和開發(fā)的重要課題，要明晰和了解純電動汽車鋰離子動力電池的結(jié)構(gòu)及熱工作原理，分析立方體鋰離子電池組在不同條件下的溫度場分布，并從電池生熱的源頭入手，探討均衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制策略。未來還要著重研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的仿真結(jié)果與實際結(jié)果的分析，基于電池工作中的電流變化狀態(tài)分析鋰離子電池工作過程，并關(guān)注電池組溫度過低狀態(tài)下的加熱處理研究，拓展鋰離子電池溫度控制研究的深度。
參考文獻
[1] 邱蔓.新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展文獻綜述[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2017（3）：33-34.
[2] 施尚，余建祖，謝永奇，等.鋰電池相變材料/風(fēng)冷綜合熱管理系統(tǒng)溫升特性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2017（6）：1278-1286.
[3] 侯元元，劉彤，黃裕榮，等.基于專利分析的電動汽車電池技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究[J].科技管理研究，2016，36（22）：157-161.
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