引言
电池的性能与使用寿命直接决定了电动汽车的性能与成本,因此,如何提高电池的性能与寿命得到了各方面的重视。电动汽车上使用的动力电池就是由多个电池单体通过串并联方式组成电池组,电池单体都紧密地布置在一起,在进行充放电时,各个电池单体所产生的热量互相影响,如果散热不均匀,将造成电池组局部温度快速上升,使电池的一致性恶化,使用寿命大大缩短,严重时会造成某些电池单体热失控,产生比较严重的事故。当动力电池处于低温环境中,电池的充放电性能会大大降低,导致电池无法正常工作。为了使动力电池组保持在合理的温度范围内工作,电池组必须拥有科学与高效的热管理系统。目前,国内外的许多研究人员对电池组的热管理系统做了大量的研究,进行了一些新的探索,以期提高热管理系统的控制效果,从而提高电动汽车电池组的性能与使用寿命。
国内外汽车动力电池管理系统(BMS)发展概况
目前,影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性与使用成本问题,延长电池的使用寿命就是降低使用成本的有效途径之一为确保电池性能良好,延长电池使用寿命,必须对电池进行合理有效的管理与控制,为此,国内外均投入大量的人力物力开展广泛深入的研究。
日本青森工业研究中心从1997年开始至今,持续进行(BMS)实际应用的研究,丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点;美国Villanova 大学与USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测; 韩国Ajou大学与先进工程研究院开发的BMS系统的组成结构及其相互逻辑关系。该系统在上述结构中进行功能扩展,即增设热管理系统、安全装置、充电系统以及与PC机的通信联系。另外还增加与电动机控制器的通信联系,实现能量制动反馈与最大功率控制。
我国在十二五期间设立电动汽车重大专门研究项目,经过几年的发展之后,在BMS方面取得很大的突破,与国外水平也较为接近。在国家863计划2005年第一批立项研究课题中,就分别有北京理工大学承担的EQ7200HEV混合动力轿车用镍
氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公司承担的EQ6110HEV混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。此外还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力总成控制系统与DC/DC变换器等一大批相关课题。
现在国外正在开展基于智能电池模块(SBM)的BMS研究,即在1个电池模块中装入1个微控制器并集成相关电路,然后封装为一个整体,多个智能电池模块再与1个主控制模块相连,加以其它辅助设备,就构成1个基于智能电池的管理系统。该BMS成功实现对每个电池模块的状态监测、模块内电池电量均衡与电池保护等功能。美国Micron公司开发的军用电动车辆BMS采用的就就是这种结构。
电动汽车电池组热管理系统结构
一、热管理方式
电池组中有电解液、电极、隔板等各种材料,由于高温会加速它们的老化速率,而且当电池组中温差较大时,高温部分的老化速率会明显快于低温部分,随着时间的积累不同电池之间的物性差异将越加明显,从而破坏了电池组的一致性,最终使整组电池提前失效。所以,电池热管理设计对于维持电池正常工作,延长使用寿命从而减少售后使用成本具有重要作用。从控制性的角度,热管理系统可以分为主动式、被动式两类。从传热介质的角度,热管理系统又可以分为:空气冷却式热管理、液体冷却式热管理,以及相变蓄热式热管理。
1、动力电池组的冷却方法
早在上世纪70 年代,就已有文献提出了铅酸动力电池组的热管理问题。动力电池组布置比较紧凑,如果没有合理的冷却措施,将导致电池组局部温度上升,电池组充放电性能下降,部分电池过充或过放电,造成电池使用寿命缩短。电池组冷却的方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却以及热管冷却。
1、1 空气冷却
空气冷却就是利用空气作为冷却介质对电池组进行冷却。空气冷却按照冷却系统所采用的结构不同,分为串行与并行
冷却方式;按照就是否使用风扇,分为自然与强制两种冷却方式。
1、1、1 串行与并行冷却方式
1999 年,Ahmad A、Pesaran 等人[1-2]提出了串行与并行冷却方式,如图1 所示。
图1(a)就是串行式冷却,空气从电池包的一侧吹入,从另一侧吹出,容易造成电池包散热不均匀;图1(b)就是并行式冷却,空气从电池包底部吹入,从上部吹出,几乎相同的空气量流过各个电池模块的表面,能够使电池包散热均匀。文献[2]中用二维模型模拟了串行与并行的冷却效果,如图2 所示,在相同条件下,并行冷却比较均匀,电池包中最大值温度差为8 ℃,采用串行冷却时,虽然电池包的最低温度有所下降,但就是电池包中温度差高达18 ℃。
1、1、2 自然与强制冷却方式
自然冷却即没有采用冷却风扇,此方式冷却效果比较差。强制冷却指采用冷却风扇进行冷却,大部分电动汽车都在使用这种冷却方式,丰田Prius 与本田Insight 都采用强制冷却2002年,Kenneth J、Kelly 等人[3]对2001 年款Prius
与2000年款Insight 的电池热管理系统进行测试,结果表明,两款车的电池温度被控制在合理范围内。Prius 采用的冷却风扇有四种工作模式:停止、低速、中速与高速,热管理系统根据电池包温度的不同使风扇以不同的模式进行工作。文献[4]对空气强制冷却效果进行了实验与数值模拟,实验采用18650 型锂离子电池,当环境温度在45 ℃、放电倍率为6、67 C 时,无论空气的流速多大,都无法将电池包的温度控制在55 ℃以下;当空气流速增加时,电池单体表面温度差也将随之增大。在高温环境下,强制冷却无法将电池包的最高温度控制在安全范围内,为解决这一问题,可以采用文献[5]提出的主动热管理系统:在空气充入电池包之前,先通过冷却装置对空气进行冷却,经过冷却的空气能够有效地控制电池包的最高温度。
1、2 液体冷却
虽然气体冷却比较简单,成本低,但就是冷却效果有限,尤其在高温环境、高电流放电时,比较容易出现热失控,引发安全事故。与空气相比,液体具有高的热容量与导热系数,所以,在相同体积与流速下,液体的冷却效果要明显比空气好。虽然液体冷却效果要明显优于空气冷却,但就是,采用液体冷却必须考虑密封、绝缘、电池包比能量降低以及成本等问题,AhmadA、Pesaran[2,4]对这些问题进行了比较详细的讨论。文献[6]提出采用冷却盘方式对方形动力电池进行冷却,冷却盘内腔有液体流道,文章对流道的优化设计进行了详细叙述。
1、3 相变材料冷却
近年来在国外与国内出现采用相变材料(PCM)冷却的电池热管理系统展现出良好前景。利用PCM 进行电池冷却原理就是:当电池进行大电流放电时,PCM 吸收电池放出的热量, 自身发生相变,而使电池温度迅速降低。此过程就是系统把热量以相变热的形式储存在PCM 中。在电池进行充电的时候,特别就是在比较冷的天气环境下(亦即大气温度远低于相变温度PCT ),PCM 把热量排放到环境中去。相变材料用于电池热管理系统中具有不需要运动部件、不需要耗费电池额外能量等优势。具有高的相变潜热与导热率的相变材料,用于电池组的热管理系统中可以有效吸收充放电过程中放出热量,降低电池温升,保证电池在正常温
