2022年第12期总第307
期
冯治萍
兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州，730021
摘要：储能装置动力电池是电动汽车的核心，动力电池的性能直接影响到电动汽车的性能，其原因在于电动车工作时，电池组会处于比较严酷的热环境中进行长时间充放电工作，其使用寿命和电池性能将大幅降低，最终破坏电池单体性能一致性平衡，同时电池荷电状态（SOC ）估计值的精度下降，严重影响到电动汽车的系统控制和电动汽车安全性可靠性等。因此，对新能源电动汽车动力电池进行测试，分析动力电池热管理方案，可优化动力电池的设计研发，也可提高电动汽车的安全性和续航能力，以及动力电池循环使用寿命等，对电动汽车的发展意义重大。传祺m6
关键词：动力电池；热管理；测试分析中图分类号：U469.72
收稿日期：2022-10-28
DOI：10.19999/jki.1004-0226.2022.12.022
1电动汽车动力电池热管理的存在意义
自从新能源电动汽车走入大众视野，在国家政策的支持下，电动汽车深受消费者青睐，但随着电动汽车自燃事件频频发生，热失控等安全问题让电动汽车成为大众讨论的焦点。
续航里程是电动汽车的一大痛点之一，要提高续航里程就必须要增大动力电池的能量密度，但高能量的电池对温度极其敏感，因此风险系数也随之增大，这就要求电池管理系统做到对电池温度实时监测和精准控制。
目前动力电池在电动汽车的整车制造成本所占比重最高，因此要求动力电池具有很长的使用寿命，然而极端高热和低温会促使电池内部电解质紊乱，破坏电池电化学平衡和电池物理特性。该过程不可逆，一旦破坏，将不可恢复并造成电池报废。因此，动力电池使用寿命和温度息息相关［1-2］。
交警手势口诀为解决上述问题，就必须优化设计电动力电池热管理系统，要求其能对电池温度精准监测及控制调节。
2动力电池热特性
电池模块的发热速率、发热源、电池热容等参数，与电池的本质有关。电池发热量取决于电池的化学特性、机械结构、电学本质等特征，追溯到电池电化学反应的实质。用Q r 表示电池充放电反应热，充电时吸热，放电时放热；用Q p 表示电化学极化反应热，是由电池平均电压和开路电压压差导致的发热，在充放电过程中都为吸热反应。
由于电解液分解和电池自放电会发生副反应，用Q s
来表示电极副反应自放电分解热，其发热量较低。此外，动力电池充放电时，电池本身内阻会产生焦耳热Q j ，放出热量。因此，电池电化学热量总和为：
Q t =Q r +Q p +Q s +Q j
鄂e根据动力电池充放电过程的不同，电化学极化会使电池实际电压与电池平衡电动势存在差异，电池引起的主要产热因素也不一样。比如，在电池充电反应过程中，电化学反应发热量Q r 占主导地位；充电时，当动力电池SOC 值达到100%或者接近100%时，电池会出现副反应，使电解液的分解产生分解热Q s ；当电池充满电后依然连接车载充电机处于过充状态时，副反应热Q s 占主导地位。恒流充电时，Q j 是一个特定值。然而，在车辆起步和超车加速时，电池深度放电会输出电流，电池内阻会产生较多的焦耳热量，这就是动力电池的热特性。
3温度对动力电池的影响
电池组是电动汽车的主要储能部件，由数节三元锂电池构成，动力电池直接影响到电动车的性能。为了提高电动汽车的续航能力，就必须配备足够多的高能量密度电芯，但电池包的装配空间又受到车身结构的限制，又必须压缩电池包中电池单体的间隙，使各单体紧密串接在一起。各个电池单体的放电倍率不同，导致不同单体的生热速率也不同，许多个电池单体产生热量汇聚在一起，会使电池包处在严酷的热环境中。
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测试试验
由电池材料体系的热稳定性要求，可以到一系列
改进电池热失控特性的手段，如采用耐高温隔膜材料等，包括正负极改性、提升电解液的热稳定性。目前抑制热失控常用的方法是对正极材料的结构材料优化，正极材料用单晶体代替多晶体，因为单晶正极的释氧量比多晶体正极产氧反应温度提高了100℃。使用单晶体正材料，降低了热失控风险。
研究发现，热失控不是瞬时发生的，而是在散热和隔热效果较差时逐渐蔓延的，在新电池体系中隔热和散热在结构上属于相同体系，采用PTC 限流装置、压力安全阀、热封闭隔膜等安全措施能共同抑制热失控蔓延，这就是电池防火墙技术。
近期发生的电动汽车在充电过程中的自然事故频频发生，调查结果表明事故原因是不恰当快速充电和过充引发电池析锂，通过实验测试结果分析，电池快充时能明显观察到电池析锂现象。电池充电过程负极表面在零电位出现后，电解液中开始析出枝状锂结晶，电池停止充电之后电位会恢复到零电位以上，这个时候析出的锂又会重新嵌入，然后所有的可逆锂均完全溶解，负极停止氧化还原反应，停止放电，造成电池失效。常州英田汽车有限公司
结合动力电池热管理和整车热管理的相似性进行需求分析，可以对乘员舱空调系统和动力电池热管理系统进行深度融合，制定高效节能的电池热管理策略。乘员舱热管理和电池热管理的匹配结合，电池包结构优化进行同步开发，使电池管理系统适应整车应用和开发，这样既能节约整车成本，又能使电池热管理达到高效节能的效果。如果可以标准化推行电池热管理系统，就能降低新能源汽车整车研发成本。
4动力电池热管理实验测试［3-6］
4.1实验说明
本实验主要探索新能源电动汽车动力电池热管理系统的工作原理，通过验证动力电池热管理系统的功能特点，来优化设计动力电池管理系统，为电动汽车整车热管理标定制定出合适的动力电池热管理匹配方案。
本实验在整车热管理环境风洞模拟实验室中进行，在整车运行条件下监测动力电池使用性能。实验室可实现-40~70°C 的温度变化，可模拟车辆在高速工况、快充工况、加速爬坡、城市工况等复杂工况下行驶的高低温环境。通过布置在动力电池包冷却水进出口的水温传感器、流速传感器、流量计，以及电池包表面各点位温度传感器和动力电池综合管理系统（BMS ）监测动力电
池使用状况。4.2实验操作
在试验阶段，保持环境舱温度稳定，启动电动汽车，使电动汽车在转毂实验台上运行，实验人员驾驶试验车依据工况模拟曲线图控制油门踏板和制动踏板深度，在低温冷启动、加速爬坡、高速行驶、高速行驶快充、静置快充等工况时，探究汽车动力电池的放电电压和放电电流的高低。通过研究电池冷却系统开启运行过程，电池升温降温变化趋势和电池充放电循环效率对驱动电机输出功率、扭矩、车速的影响，来研究动力电池热管理系统的性能特点。4.3实验发现
冷却系统设计的降温能力对电池降温速率至关重要，电池内部的传热设计涉及热量传递路线、电池芯体结构设计以及电池单体间的布置方式等，影响电池自身发热量和通过传热介质带走的热量等。电池总成的台架试验测定发现，由传热介质带走电池内部热量最终输出给外部热管理系统扩散。
电池模块布置方式也对电池散热性能有重要影响，动力电池布置在整车底盘部位，空间狭小密闭，在进行布置设计时，还需要考虑电池受碰撞等因素，需要热管理系统密切关注和评估，并决策整车电池动力电池布置方案设计，根据电池布置方案匹配适宜的热管理冷却方式和选取电池预热材料。
5热管理系统控制动力电池最佳工作温度
电池之间温度的差异带来的“短板效应”也是造成性能衰退的重要因素。虽然对不同体系的动力电池，其最佳工作温度区间不同，但是无论如何，该区间通常远远窄于运行的温度区间。因此，有必要通过设计合理的热管理系统，控制电池工作在适宜的温度范围内，并有效控制温差，从而提高电池性能。
动力电池的最佳工作温度是一个范围，当动力电池温度过低时，电池的容量和寿命会大幅衰减。在低温时，由于电解质的活性较差，电池内部电解液中正负离子移动析出速率较慢，这时大电流充电很可能强行加快正负电极氧化还原反应速率，此时易出现电池热失控甚至安全事故。
为确保动力电池在低温环境条件下正常充电，电池热管理系统会消耗电池储存的一小部分电量对动力电池进行加热，常用的方法有PTC 加热，布置绝缘挠性加热膜、硅胶加热膜等。
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6动力电池冷却方式
热管理系统的性能和传热介质的选取密切相关。
把空气直接引入电池包导流通道，使其流过电池模块时吸附电池产生的热量，并把热量随导流通道向外传送的方式叫作空气传热介质动力电池热管理。空气传热介质热管理的代表形式是风冷系统，一般需有风扇、电池散热器、蒸发器、冷凝器道等部件。
零部件的选配必须满足冷却需求。首先冷却板的压降必须满足电池冷却传热变化要求、冷却水流动的
速度流量要求、冷却水道爆破压力限制要求、冷却板材料的机械特性和物理特性要求；零部件冷却板必须进行抗冲击、抗疲劳耐久振动试验测试；冷却板必须在公差要求以及空间尺寸要求的允许范围内。此外，必须根据电池的发热速率、风道中的空气流量、流速关系选配满足每个模块的温升要求的风机，并且风机可达到的进风量必须要满足系统的压降曲线选择要求。
电池热管理系统的主要责任是：实时进行水冷系统冷却板的压降计算和冷却水流动流量流速一致性判定；保持电池包热稳定性；在高低温环境中及时恢复电池包性能。电池热管理系统设计是电池系统设计中的关键步骤，必须严格实施电池的热管理设计流程。此外，零部件的选配必须满足电池热管理需求。
因此，必须多方面进行电池系统热管理的设计和验证，才能确保电池性能的安全可靠。
7结语
本文通过测试电动汽车在实验模拟的各种工况，来研究电动汽车动力电池的使用性能，探究动力电池的发热特性、发热源以及动力电池结构设计材料应用和动力电池冷却方案匹配等，系统研究了动力电池热管理系统的工作原理。实验发现，动力电池温度与电动汽车的行驶里程、使用寿命、热失控等息息相关，只有制定出科学合理的动力电池热管理策略，才能提高电动汽车的用户
体验，才能推动电动汽车的发展应用。
动力电池台架实验结果表明，如果动力电池隔膜破损，正负极电解质溶液混合，则会出现剧烈的化学反应，放出大量热量甚至自燃，并产生大量致命有毒气体。通过进一步的实验测试发现，引起动力电池热失控的主要原因是正极材料释氧。在充电过程中，动力电池正极材料在250℃左右出现相变，有机电解液氧化分解，产生气体，电池内压增大，并且迅速发热，使热量聚集导致事故发生。因此，电池本身在充放电时正负极氧化还原反应释放的热量是造成热失控的主要原因。
随着制造业的快速发展，中国汽车工业面临着产业转型升级、降低排放标准、资源短缺和绿发展的挑战，发展新能源汽车可以降低汽车工业对石油资源的深度依赖。因此，现阶段对汽车动力电池的性能进行深入研究十分必要。
参考文献：
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安：长安大学，2019
作者简介：
冯治萍，男，1997年生，助教，研究方向为车辆工程、机械基础、机械制图及液压与气压传动。
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