电动汽车电池热管理系统研究进展

1、电动汽车电池热管理系统研究进展摘要：电动汽车的无( 低 )污染优点,使其成为当代汽车发展的主要方向。电池作为电动汽车唯一的动力来源，其热管理设计对电动汽车工作性能至关重要。本文在对电池热管理系统分析的基础上，从控制系统、材料设计、热管理方式、热管技术、研究方式等方面来阐述电池热管理系统的研究现状及发展趋势。对电池热管理系统的设计具有一定的指导意义。关键词：电动汽车 电池 热管理系统 Research progress of battery thermal management system for electric vehiclesAbstract: the electric vehicle

2、has no (low) pollution advantages, make it become the main direction of the development of modern car. As the only source of electric vehicle, the battery is of vital importance for the electric vehicle performance. Elaborates the research status and development trend of battery thermal ma

3、nagement system in this paper on the basis of the analysis of battery thermal management system, from the control system, material design, thermal management and thermal tube technology and research methods. The design of the battery thermal management system has a certain significance.Keywords

4、: electric vehicle; battery; heat management system0 引言能源危机和环境污染是当今世界各国面临的两大难题。 电动汽车具有节能 、 环保的优点，成为未来汽车发展的必然趋势。电动汽车电池在工作过程中常因充放电时间过长而产生过充电 、 过放电现象，不仅影响了电池的使用性能，缩短了电池的 使用寿命，而且减少了电动汽车的续驶里程，降低了整车性价比；同时若不能及时精确地采集到单体电池和整组电池包的工作参数（如电压、 电流、 温度、剩余电量等)，还会影响到整车优化控制策略，降低电池安全性能，甚至引发汽车爆炸。电动汽车电池会长时间工在比较恶劣的热环境中 ,

5、这将缩短电池使用寿命、降低电池性能;以至于要综合考虑温度对电池性能和使用寿命的影响以确定电池最优工作温度范围。所以电池组的热监控和热管理对整车运行安全意义重大。从控制系统、材料设计、热管理方式、热管技术、研究方式等方面来改善热管理系统，本文对此进行了归纳总结。1 电池热管理系统分析1、1电池热管理系统的功能为了提高电动汽车电池组的性能, 一方面电池生产商努力开发满足电动汽车使用要求的电池 , 另 一方面电池使用者也通过优化现有电池的使用环境发掘电池的潜能 。 电池组热管理系统是从使用者角度出发 ,用来确保电池组工作在适宜温度范围的整套系统,包括电池箱、传热介质、监测设备等部件.电池组热管理系统

6、有如下5 项主要功能:(1)电池温度的准确测量和监控;(2)电池组温度过高时的有效散热和通风;(3)低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作;(4) 有害气体产生时的有效通风;(5)保证电池组温度场的均匀分布。1.2确定电池最优工作温度范围目前电动汽车用 电池主要有铅酸电池、氢镍电池和锂离子电池。铅酸电池应用 到电动汽车上的时间比较久,相关研究比较多。Anderson研究了1984 1988 年超过 500 万辆汽车的 SLI 用(启动、照明、点火)电池 , 总结出SLI铅酸电池的寿命随着温度增加线性 减 少 , 然 而充电效率却线性增加。Sharpe 和Conell研究了温度对铅酸电池充电

7、的影响 , 发现随着电池温度的降低充电接受能力下降 , 特别是 0 以下 。 Dickinson 和 Swan评估了几种电动车用 铅酸电池组的性能和寿命,发现模块间的温度梯度减少了整个电池组的容量 , 他们推荐保持电池组内温度的均匀分布和控制现有铅酸电池 温度在35 40 之间 。Wicks和Doane研究了一种电动车用 铅酸电池的温度相关性能 , 他们发现效率和最大运行功率在-26 65 范围内增加 。清华大学的付正阳发现氢镍电池的性能也与温度相关。当温度超过50 时,电池充电效率和电池寿命都会大大衰减 , 在低温状态下, 电池的放电能力也比正常温度小得多。氢镍电池的工作运行范围在0 40

8、之间。锂离子电池与氢镍电池、铅酸电池相比 , 体积比功率更高 , 导致生热更多 , 所以散热也 需要更加有效 。 对锂离子电池的热管理系统研究更多地集中于安全性和低温性能上。锂离子电池工作温度范围为：充电时,1045 ；放电时， 3055 。2 电池热管理技术2.1热管理的控制系统结构随着计算机技术及发动机电控技术的发展，采用电子驱动及 控 制 的 冷却 水泵 、风扇 、节温器等部件,可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行 ，提供最佳的冷却介质流量，实现热管理系统控制智 能化 ，降低了能耗 ，提高了效率。热管理系统与发动机运行的匹配 技术以及系统优化控制策略的选择问题 智能化热

9、管理系统研发的关键技术。美国的 The universityof Toxed 大学最早提出BMS系统。在欧洲，德国是电动汽车发展较快的国家，比较成熟的电池管理系统有德国 Mentzer Electronic Gmbh 和 Werner Retzlaff 为首设计的 BADICHEQ 系统及BADICOACH 系统和德国的 B.Hauck 设计的 BATTMAN 系统。加拿大 Zader 研制的电池管理系统由控制器、 监测模块和平衡模块组成，能够监测电池组温度和电压，控制电池单体的充、 放电均衡.长安汽车股份有限公司为混合动力轿车研制的电池管理系统包括采集电路板和主控制电路板两大子系统，具有采集

10、电池总电压和总电流 、热管理 、故障诊断和报警等功能。中南大学研发设计了基于 Android 平板电脑的汽车热管理系统， 采用蓝牙作为数据和控制的通信手段在国内 ，郭新民等对装载机冷却 系统控制 装置进行了研究 ，该发动机冷却系统中的风扇和水泵由液压马达驱动，利用单片机根据冷却水温度的变化调节电磁比例溢流阀的溢流量以实现冷却风扇和水泵转速的自动调节 。通过试验及仿真分析结果表明,热管理系统效率很大程度上依赖于系统优化控 制策略 ，控制对象包括水泵转速 、电控节温器阀门开度以及冷却风扇转速等。 制定智能化电控热管理系统控制策略时 ，可根据汽车发动机实际工作和试验情况，使发动机在不同工况下均工作在

11、最佳温度范围 ，缩短暖机和驾驶舱升温时间 ，提高发动机后冷却和驾驶舱后加热能力 。2.2热管理系统的材料结构与部件结构的设计针对夏季高温天气，由于长时间高 温热辐射 ，热量进入到电池箱内部 ，导致电池组温度过高，加上车辆行驶时电池本身发热 ，容易使电池组始终处于高温工作状态。东风汽车有限公司研发了对电池的隔热设计，并通过对电池组设计隔热膜、空调压缩机散热设计、电池系统的半导体散热设计的分析，得出隔热设计可有效减少高温热辐射进入电池箱内部 ，降低电池组温度受外部高温环境的影响 ；在电动汽车行驶过中，隔热材料并未明增加电池组的温升 ；而且相对其他两种设计，隔热设计的热管理效果明显、结构简单、成本低

12、/易于产业化 。 图2 带空调压缩机散热设计的电池系统2、3热管理的方式从宏观上讲，电池热管理是对电池系统内部热环境进行控制、调节和利用。其目的是为了使电池工作在一个最佳的热环境 ，充分发挥电池的性能。同时，提供一个能量平衡的环境，实现整车能量的综合利用。具体而言,热管理就是在电池系统中温度过高时，对系统进行降温；在温度过低时，对系统进行升温；在特殊情况下，譬如停车等待过程中，要对系统进行保温。根据热管理的不同应用场合和功能，分为冷却系统、加热系统和保温系统。2.3.1冷却系统的基本构成与功能冷却系统是电池热管理系统中最重要的组成部分。 受制于目前技术瓶颈的限制，电池工作的温度环境要满足特定的

13、要求 。譬如磷酸铁锂电池的一般环境温度为-20 60 。电池在充放电过程中会不断地产生热量，电池系统内部温度很容易超过这一范围，因此一般的电池系统都需要引入冷却系统。根据冷却介质的不同，冷却系统通常可分为空气冷却、液体风冷和相变液冷三种冷却方式。这三种冷却方式的散热能力是依次增强的,同时，冷却系统的结构复杂度也依次增加。由于相变冷却成本比较高，考虑到降低成本的因素，目前工程技术上常采用空气冷却和液体冷却两种方式。日本丰田公司的混合动力电动汽车Prius和本田公司的Insight都采用了空冷的方式。清华大学和多家单位共同研制的国家863 燃料电池城市客车采用的也是空冷方式 。除了根据冷却介质区分

14、冷却系统以外，冷却系统也常常分为主动冷却和被动冷却两种形式。通常被动冷却系统直接将电池内部的热空气排出车体，而主动冷却系统通常具有一个内循环系统，并且根据电池系统内部的温度进行主动调节，以达到最大散热能力。一般而言 ，被动冷却形式具有结构简单、零部件数量少、成本低等优点，被广泛用于电池冷却系统设计中 。 图3 简单的被动冷却系统另外还有一种空冷 /水冷混合冷却系统，空冷 /水冷混合冷却系统原理如图4所示 。空冷 /水冷混合冷却系统中有两个关键零部件:一个是水冷的电池冷却器，另一个是空冷的电池散热器.空冷 /水冷混合冷却系统具有系统紧凑、性能好且低温环境下经济节能等优点。但是此系统复杂、成本高、

15、控制复杂且可靠性要求高 。 图4 空冷 /水冷混合冷却系统 电池箱内电池模块的温度差异与电池组布置有很大关系, 一般情况下, 中间位置的电池容易积累热量, 边缘的电池散热条件要好些 。 所以在进行电池组结构布置和散热设计时 , 要尽量保证电池组散热的均匀性。以空冷散热为例来, 通风方式一般有串行和并行两种。并行通风方式需要对 进排气通道,电池布置位置进行很好地设计。丰田新 Prius 采用的就是并行通风结构,其楔形的进排气通道使得不同模块间缝隙上下的压力差基本保持一致,确保了吹过不同电池模块的空气流量的一致性,从而保证了电池组温度场分布的一致性。2、3、2加热系统的基本构成与功能一般而言，加热

16、系统是为了满足在低温环境下能够使电池能正常充电。加热系统主要由加热元件和电路组成，其中加热元件是最重要的部分。常见的加热元件有可变电阻加热元件和恒定电阻加热元件，前者通常称为 PTC（ Positive Temperature Coefficient，后者则是通常由金属加热丝组成的加热膜，譬如硅胶加热膜、挠性电加热膜等 。由于汽地域适用性较为广泛，在寒冷地区要使电动汽车能正常使用 ，必须电池加入额外的加热系统以满足要求。PTC 由于使用安全、热转换效率高、升温迅速、无明火、自动恒温等特点而被广泛使用。其中陶瓷PTC元件较为常用，其成本较低，对于目前价格较高的动力电池来说，是一个有利的因素。陶瓷

17、PTC元件通常不能直接用于加热，而需要设计金属外壳体，陶瓷PTC通过加热外壳体而将热量传导给其他结构 。然而，使用陶瓷PTC作为加热元件的缺点也很明显。首先，包含PTC 的加热件体积较大，会占据电池系统内部较大的空间 。 其次， PTC的外壳是金属件,会存在绝缘问题。除了常规的陶瓷 PTC 这类相对硬度较高的材质，还存在一类柔性 PTC。柔性 PTC 是指其 PTC 的组织结构柔软、重量轻、厚度小（通常可做到 0.5mm 以下），它可以根据需要作成任何形状。这类 PTC 广泛的用于汽车坐垫加热， 目前也正逐步在电池加热中使用。 但是，这类 PTC 加热器的成本会相对较高 。绝缘挠性电加热膜是另

18、一种加热器， 它可以根据工件的任意形状弯曲 ， 确保与工件紧密接触，保证最大的热能传递 ，并且其厚度可以达到 0.25mm 左右。硅胶加热器是传统金属加热器无以伦比的具有柔软性的薄形面发热体。它在玻璃纤维布上下二片中夹入硅胶后适压而成的二片薄片构成，具有良好的传热性（ 标准 1.5mm）。 由于柔性，它可以与被加热物体完全密切接触这两种加热器都属于恒定电阻加热器，其安全性要比 PTC 差些。2、3、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

19、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。3 热管技术的应用目前在对电动汽车动力电池的热管理中，应用热管作为散热手段的研究还不多，主要成果尚处于实验室研究阶段，真正投入实际应用的几乎还没有。研究中已使用的热管主要包括回路型重力热管，脉动热管、烧结热管和平板环路热管。在我国，热管散热技术应用在动力电池散热上报道尚少，应用于锂离子电池系统则更为少见。饶中浩等设计了以烧结热管为电池散热的热管理方式。华南理工大学的张维在电动汽车电池热管理系统的应用背景

20、下，研究了微小平板型环路热管和相变材料耦合散热对电池的最高工作温度和温度分布的影响。湖南大学的胡小峰采用无机超导热管结合汽车行驶过程中高速流动的空气对圆柱型锂离子电池进行散热，在放电电流为 5A、7.5A、10A等条件下进行无机超导热管冷却电池实验，电池表面最高温度不超过 50，并对比了风冷强制散热与自然对流散热的不同效果，论证了无机超导热管散热系统的散热效果的可行性。齐晓霞等指出，热管是一种较好的热桥，其多样化的形式和灵活的布置位置，若结合其他强制冷却方式能获得较好的效果，尤其是小型热管技术的发展能给动力电池的安全长效运行带来更大的发展空间。 图5 置于车后箱中的脉动热管式电池热管理系统4

21、研究方式汽车热管理技术的研究手段主要包括试验研究和模拟研究。试验研 究虽然周期长、花费高，但真实可靠，还可为模拟研究提供充分的试验数据，验证仿真计算精度。目前，国内外的不同研究机构都搭建了不同的热管理试验平台以及通过不同的仿真软件对热管理系统进行分析研究。清华大学建设了国内第一个汽车热管理系统试验平台，该试验平台可为汽车热管理系统，特别是燃料电池汽车热管理系统的技术研究提供相应的平台技术支持。同济大学的倪计民等建立了发动机热管理系统试验平台，试验平台包括驾驶室取暖器、节气门加热装置、发动机罩等，结构与整车相同，可以研究热管理系统中各部件的工作特性，进行发动机各种工况的热性能试验研究。浙江大学的谭建勋等进行了工程机械热管理系统试验平台的开发。该试验平台能够较