一種電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾韮?yōu)化方案

　　王?恒，張偉波，黃芳芳，朱曉東，趙歡歡，宋開通（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽?蕪湖?241000）

　　摘?要：通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車使用過(guò)程中電池熱管理策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)，闡述了電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵性，并對(duì)電芯的使用壽命、電動(dòng)汽車的性能提升有很大幫助，對(duì)電池熱管理策略的設(shè)計(jì)具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：新能源汽車；純電動(dòng)汽車；電池管理系統(tǒng)；熱管理策略

　　0 概述

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

　　溫升特性對(duì)電動(dòng)汽車的使用有著至關(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(xù)在一個(gè)極限的溫度下工作，可能會(huì)存在熱失控、熱擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)方面，由于整車的布置空間有限，導(dǎo)致電池包往往都集中在一個(gè)很狹小的空間里，沒有有效的散熱空間，車輛的行駛工況以及外界環(huán)境溫度的變化都會(huì)對(duì)電池的溫度產(chǎn)生顯著的影響，從而間接影響了電動(dòng)汽車的正常運(yùn)行。因此，合理、高效的電池?zé)峁芾聿呗?，可以使得電?dòng)汽車的電池始終保持在一個(gè)高效的溫度區(qū)間內(nèi)工作，保障、提供電動(dòng)汽車運(yùn)行的可靠性，更是當(dāng)前電池管理系統(tǒng)熱管理策略發(fā)展的核心方向。

　　1 傳統(tǒng)電池?zé)峁芾頊囟炔杉绞?/p>

　　作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，電池的性能決定了車輛的動(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，開發(fā)合理的熱管理策略使電池保持良好的特性區(qū)間是十分必要的。

　　普遍的電池?zé)峁芾頊囟炔杉绞蕉际遣捎脺囟葌鞲衅鳎∟TC）粘貼在電池模組的鋁鈀上（如圖1所示），當(dāng)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，隨著持續(xù)充放電的時(shí)間延長(zhǎng)，電芯、鋁鈀的溫度會(huì)逐漸升高，并相互傳遞最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)。鋁鈀的溫度接近電芯的內(nèi)部溫度，所以可以通過(guò)采集鋁鈀的溫升來(lái)代替電芯內(nèi)部的溫度，利用此溫度設(shè)計(jì)電池的熱管理策略。通過(guò)電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、處理電池包各模組中的溫度信息，當(dāng)鋁鈀的溫升達(dá)到電池管理系統(tǒng)預(yù)設(shè)警戒值時(shí)，等效理解為此時(shí)電芯內(nèi)部的溫升也達(dá)到了電池報(bào)警值，此時(shí)電池管理系統(tǒng)開發(fā)發(fā)出指令開啟風(fēng)扇或冷卻水道，為模組降溫。同理，當(dāng)模組鋁鈀溫度過(guò)低時(shí)，可以等效理解為電芯內(nèi)部的溫度也過(guò)低，此時(shí)電池管理系統(tǒng)會(huì)打開電池加熱裝置為電芯加熱，使得電芯的充放電運(yùn)行都保持在最優(yōu)區(qū)間。

　　2 新型電池?zé)峁芾頊囟炔杉绞?/p>

　　根據(jù)當(dāng)前的電芯技術(shù)大環(huán)境，電池持續(xù)充放電倍率相對(duì)應(yīng)的電流保持較低，脈沖倍率相對(duì)較高，而電池模組鋁鈀的設(shè)計(jì)規(guī)格很大程度上又取決于電芯的持續(xù)充放電倍率。由于駕駛工況的復(fù)雜多變，車輛在運(yùn)行過(guò)程中模組鋁鈀上的電流呈現(xiàn)出脈沖特性，同樣復(fù)雜多變。電流的脈沖變化使得鋁鈀的溫度短時(shí)間內(nèi)也快速變化，不能正常反應(yīng)對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的電芯內(nèi)部溫度變化，傳統(tǒng)的電池溫度采樣都依賴于模組內(nèi)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(dǎo)致電池?zé)峁芾聿呗缘漠惓＿\(yùn)行，甚至?xí)a(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　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(jié) 構(gòu) 形式，取模組外殼作為溫度采集點(diǎn)，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)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?zé)峁芾聿呗愿雍侠怼?/p>

　　3 溫度采集與數(shù)據(jù)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(nèi)部，真實(shí)采集了電芯的溫升；B點(diǎn)將溫度采集點(diǎn)設(shè)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(yàn)臺(tái)架中，分別以不同倍率的電流對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(yàn)過(guò)程中，A點(diǎn)與B點(diǎn)溫升大小、變化趨勢(shì)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(yàn)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?zé)峁芾聿呗蚤_發(fā)，無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

　　4 溫度補(bǔ)償采集方案

　　上述臺(tái)架分析了傳統(tǒng)的溫度采集方法的弊端，電動(dòng)汽車在實(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(yīng)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绞剑疚奶峁┝艘环N補(bǔ)償式電池?zé)峁芾聿呗裕?/p>

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

　　①T ₁ ：NTC1對(duì)應(yīng)主控板T1——1號(hào)模組側(cè)壁；

　?、赥 ₂ ：NTC2對(duì)應(yīng)主控板T2——2號(hào)模組側(cè)壁；

　　③T ₃ ：NTC3對(duì)應(yīng)主控板T3——3號(hào)模組側(cè)壁；

　　??

　　選取溫度修正系數(shù)△T，計(jì)算公式如下：

　　其中，T _a 、T _b 、T _N 分別表示1號(hào)、2號(hào)、N號(hào)模組自帶鋁鈀溫度采樣。

　　則：電池系統(tǒng)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?zé)峁芾聿呗?，通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證得到圖3所示結(jié)果。如圖3所示，試驗(yàn)過(guò)程中首先將充滿電的電池包進(jìn)行靜置，保持試驗(yàn)對(duì)象與參考對(duì)象達(dá)到熱平衡，然后根據(jù)此款電芯的放電能力進(jìn)行225A電流放電，放電結(jié)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(xù)以150 A電流進(jìn)行充電，滿電后再次靜置至熱平衡，通過(guò)設(shè)備記錄試驗(yàn)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(bǔ)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(cè)電芯溫度趨于一致，效果較好。

　　綜上：試驗(yàn)修正后的溫度曲線與實(shí)際電芯內(nèi)部溫度采樣曲線溫度變化趨勢(shì)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?zé)峁芾聿呗圆⒅踩胍陨闲拚蟮臏囟戎礣A、TB等，通過(guò)一定的算法最終達(dá)到電池?zé)峁芾砟康摹?/p>

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，研究了一種全新的電動(dòng)汽車電池?zé)峁軠囟炔杉桨福饕Y(jié)論如下。

　　1）傳統(tǒng)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(dǎo)致溫度采集偏差較大，影響熱管理策略的正常運(yùn)行；

　　2）優(yōu)化后的電池溫度采集方案通過(guò)增加補(bǔ)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?zé)峁芾碜鳛殡妱?dòng)汽車的核心管理技術(shù)之一，在溫度采集、策略設(shè)計(jì)等方面仍存在不足。但是，隨著電動(dòng)汽車的蓬勃發(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(duì)電池的保護(hù)，對(duì)延長(zhǎng)電池壽命、提高車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)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。