浅谈动力电池散热

浅谈动力电池散热

20世纪自结束以来，污染和可源危机已成为两个全球问题，交通运输业是问题的主要原因之一。相关研究表明,电池的温度对电池的性能有着重要影响本文提出基于增量式PID控制算法和热电致冷技术的动力电池热管理系统,并以STM32作为主控芯片建立多温度检测回路。采用实验和第三方机构检测相结合的研究方法,探究电池热管理系统对电池模块不同放电倍率下的温度调节以及各电池单体之间的温度均匀特性,为高性能电池热管理系统的开发提供参考价值。1实验电路1.1动力电池热管理系统本系统基于增量式PID控制算法,以STM32为中央处理单元,接收多个DS18B20温度传感器构成的温度检测回路反馈信号,并上传至上位机以及TFT液晶屏实时显示。处理器I/O控制输出一定占空比的PWM信号,经过MOS开关电路控制半导体控温模块工作时间,进而调节电池工作环境温度;可通过上位机实时改变温度设定值以及温度控制算法系数。系统电路主要模块在电池热管理系统中的作用为:中央处理器通过编写控制程序实现控制中枢系统,统一并协调处理系统各个元器件返回的数据,监控整个系统,确保系统正常运行;温度传感器则平均分布于箱体的内壁和电池单体的表面,实时检测温度并提供控制反馈信号;开关电路通过响应中央处理器I/O输出PWM信号,控制电路通断进而控制热电致冷器工作时间;热电致冷组件根据电路通断、电流大小提供致冷量、制热量,使得电池箱体温度发生变化;基于热电致冷的动力电池热管理系统结构及实验平台如图1所示。热电致冷器作为热管理系统的主要部件,主要包括致冷片TEC1-12706、翅片、散热风扇等;额定工作电压为12V,额定工作电流为6A,而中央处理器输出控制信号负载能力弱,无法驱动热电致冷器工作。该系统中的中央处理器接受来自温度检测回路的反馈信号,输出产生脉宽调制信号,信号以数字信号作为控制信号控制NMOS开关电路控制热电致冷器电路启闭状态,从而控制热电致冷器工作时间,调节冷量,如图2所示。由于MOS管是电压控制元件,栅极电压决定了其工作状态,系统采用12V直流电源提供漏源电压V1.2安全控制的实时监控结合电池产热机理,开发核心控制算法理论、温度检测、PWM调节等交互机制。当系统启动时,对中央处理器输出和相关元器件的引脚、定时器、串口进行初始化,设置初始化工作模式。通过4个温度传感器对箱体温度进行采集并取平均值,将其显示在TFTLCD屏上和电脑上位机。程序执行时,不断扫描按键电路,同时打开串口通信,可以实现对温度设定值的实时修改。通过核心处理算法-PID算法运算出控制所需的控制量,并将控制量作为输出值输出,控制中央处理器输出一定占空比的PWM控制信号,控制热电致冷组件的致冷量实现对于箱体温度的控制。基于Java语言开发动力电池热管理系统上位机,满足温度设定值、4路温度传感器所测得温度值、温度实际平均值以及控制系数,同时,可以通过上位机对系统温度设定值以及PID控制系数进行改变。其中:由式(1)可知,确定比例系数K2电池单体温度测试本文经过对电池热管理系统中磷酸铁锂电池在1C～3C充放电倍率下电池单体和模块箱体的温度变化进行测试,验证电池热管理系统控制温度的稳定性。其中,当充放电倍率为1C时,温度设定值为30℃,电池单体的温度数据如表1所示。由图4可知,经过测试,电池组在1C充放电倍率下,1145s时电池组平均温度第一次到达温度设定值30.0℃时,温度平均值在30.0℃波动,单体电池1温度在29.9℃波动,单体电池4温度在30.9℃波动,单体电池2和单体电池3温度在29.5℃波动,基于热电致冷技术的动力电池热管理系统温度控制波动偏差均在±0.1℃内。当充放倍率为2C,温度设定值为30℃,电池单体的温度数据如表2所示。由图5可知,经过测试,电池组在2C充放电倍率下,376s电池组平均温度第一次到达温度设定值30.0℃,温度平均值在30.0℃波动,单体电池1温度在30.6℃波动,单体电池2温度在29.7℃波动,单体电池3温度在29.5℃波动,单体电池4温度在30.4℃波动,基于热电致冷技术的动力电池热管理系统温度控制波动均在±0.1℃内。当充放倍率为3C,温度设定值为30℃,电池单体的工作温度数据如表3所示。由图6可知,经过测试,电池组在3C充放电倍率下,232s电池组平均温度第一次到达温度设定值30.0℃;经过750s后,温度平均值在30.1℃波动,单体电池1温度在31.6℃波动,单体电池2温度在29.4℃波动,单体电池3温度在29.2℃波动,单体电池4温度在29.9℃波动,基于热电致冷技术的动力电池热管理系统温度控制波动均在±0.1℃内。此外,经过第三方检测机构(华南国家计量测试中心)测试报告如图7～9所示,基于热电致冷的动力电池热管理系统(型号:BST-50)在单体电池的控温以及电池模块的均温性方面效果明显。结果表明,电池在1C放电倍率工况下,单体电池最高温度为24.2℃,最低温度为20.6℃,最大温度波动±0.46℃。而模块运行环境的温度最高为19.8℃,最低温度为16.9℃,最大温差为2.9℃,最大温度波动±0.50℃,温度均匀性2.2℃。2C放电倍率下单体电池最高温度为32.8℃,最低温度为27.1℃,最大温度波动±0.09℃。而模块运行环境的温度最高为19.9℃,最低温度为17.4℃,最大温差为2.5℃,最大温度波动±0.37℃,温度均匀性2.1℃。3C放电倍率下单体电池最高温度为44.4℃,最低温度为41.5℃,最大温度波动±0.15℃。而模块运行环境的温度最高为25.5℃,最低温度为22.5℃,最大温差为3.0℃,最大温度波动±0.25℃,温度均匀性2.7℃。3动力电池热管理电路本文通过实验与第三方检测相结合的方法,研究了基于热电致冷的动力电池热管理电路的控温和均温性能,主要结论如下:(1)基于增量式PID控制算法和热电致冷技术相结合的动力电池热管理电路,采用STM32作为主控芯片建立多路温度检测回路模块,可解决电池在高温环境下控温难的问题;(2