新能源汽车锂电池热管理系统热性能优化控制策略

王勇

摘要：随着我国社会经济的不断进步，交通事业发展速度越来越快，汽车数量越来越多，既往汽车行驶动力主要来自石油等燃料的燃烧，但是应用石油一类的燃料，不仅成本较高，且能够导致严重的环境污染，所以当前纯电动的新能源汽车已经受到了广泛关注。在新能源汽车当中，锂电池能够体现出成本低和无污染的优势，但是其中安全性能不够理想，所以需要对其中的电池组进行合理优化，使其中的热管理系统热性能不断改善，从而提升新能源汽车锂电池的使用效果和使用寿命。由此可见，针对新能源汽车锂电池热管理系统热性能优化控制策略进行探究具有重要意义。

关键词：新能源汽车；锂电池；热管理系统；热性能优化；控制策略

引言

如今，汽车已经成为人们出行的主要交通工具之一。在20世纪以前，汽车的动力主要来自于燃料的燃烧。然而，目前石油等燃料能源消耗速度过快，以石油为主要燃料的汽车尾气排放造成的环境污染越来越严重。因此，科学家开始研究为汽车提供动力的新方法，纯电动汽车以其高能量转换效率和“零排放”越来越受到青睐。锂电池具有无污染、成本低的优点，成为电动汽车的巨大优势。与其他电池相比，锂电池是电动汽车行业中最受欢迎的电池，但其安全性能较差。对于采用锂电池的新能源电动汽车，关键在于解决驱动电机和电池的相关问题。

1新能源汽车锂电池的特点

锂电池具有自放电率较低、能量密度较高、可循环无污染、效率高且无记忆效应等特点，是新能源汽车产业优选的动力源。由锂电池单体组成的锂电池包是新能源汽车的主要核心部件和唯一的动力来源。锂电池对工作温度要求较高：其最佳的工作温度范围为20～40℃，超出这个范围温度偏高或者偏低，都会影响其使用寿命和工作性能。当温度偏低时，锂电池放电量和放电压会急剧降低；而当温度偏高时，锂电池则容易产生热失控现象，当内部热量聚集造成热量堆积，热量不能得到排除时，则会引起高温起火，甚至引发爆炸，对人们的生命财产造成威胁。而电磁散热装置的设置，能对锂电池的正常工作起到关键的保护作用。因此，分析锂电池的散热系统，通过对散热装置适当地优化可以把握好锂电池的温控，这对于保障新能源汽车安全高效的运行有着重要的作用。

2模型与方法

2.1构建电池组及冷却结构计算模型

在新能源汽车锂电池的冷却系统之中，热量首先出现于电池的位置，之后能够向冷却扁管位置进行转移，在由扁管中流动的冷却液将热量带走。在对边界条件进行选择以及进行初始化时，冷却液的入口速度即为入口边界条件，冷却液的出口压力则为出口边界条件，流体和固体的耦合界面，属于非滑移移动界面，进行热传递的过程即属于自然对流。基于此，在环境温度处于25℃的状态之下，可以采用要松弛法以及有限体积法对离散模型进行求解。在此过程中，为了保障结果准确，还需要应用二阶迎风格式，并且迭代精度的主要影响因素为相邻两次计算之间的结果差异，若两次计算结果之间不具有差异性，则该算法精度较高，但是在实际开展测试工作的过程中，并不能实现该精度，所以还需以残差值为基础，对算法收敛性进行合理判断，并在允许的范围内尽可能提升计算结果的精确度。

2.2锂电池热管理系统设计

对于新能源汽车来说，虽然相对于空气冷却系统，流体冷却结构的形式更加复杂，但是应用效果也更好，所以可以选择在该冷却系统之中附加一加热装置，以避免低温环境下，锂电池的使用性能受到不良影响。在对冷却系统进行应用的过程中，液体材料为其中主要的冷却介质，其与热源进行直接接触或者间接接触，均能够实现一定程度的散热。一般来说，可以选择将电池模块置于绝缘性能良好的液体中促使电池冷却，或是在电池周围放置冷却夹板，但是为了保障安全性，应主要采用放置冷却夹板的形式，针对电池组的顶部放置冷却扁平管，加速电池组在工作过程中的热量流失，也就有利于保障电池组的冷却效果。

3锂电池热管理系统冷却结构散热性能仿真结果分析

3.1冷却液流量对锂电池热管理系统散热性能的影响

电池热管理系统的最高温度随冷却液流量的增加而降低。当冷却液流量为1L/min时，放电1h后电池热管理系统的最高温度为24.9℃，放电5h后电池热管理系统的最高温度为23.1℃。同样地，当冷却液流量为2L/min时，放电1小时后最高温度为23.6℃，放电5h后最高温度为22.6℃;当冷却液流量为3L/min时，放电1h后最高温度为22.8℃，放电5h后最高温度为21.2℃。从3种不同流量冷却液排出时间的变化可知，在前5h内，最高温度随排出时间的增加呈下降趋势，当超过5h后，最高温度会上升，这是因为放电超过5h后，电池热管理系统的内阻会急剧增加，从而，电池组温度迅速升高。从3组冷却液流量变化趋势可以看出，当冷却液流量为2L/min时，在冷却液排出超过1h后温度基本趋于稳定，维持在22.6℃左右。

3.2冷却液入口温度对锂电池热管理系统散热性能的影响

当冷却液流量为2L/min时，热管理系统的最高温度控制效果最好。因此，在讨论锂电池热管理系统中冷却液入口温度对散热的影响时，采用2L/min的冷却液流量。随着放电时间的增加，当冷却液入口温度为25℃时，电池的最高温度随着放电时间的增加而降低，在5h时突然升高，最高温度为23.2℃，之后又开始下降。因此，当冷却液入口温度为25℃时，电池热管理系统的最高温度出现在5h。当冷却液入口温度为20℃时，最高温度的变化趋势与25℃时相似。当冷却液温度为15℃时，随着放电时间的增加，最高温度响应不稳定，呈波型。根据不同的冷却液入口温度对电池热管理系统性能的影响，随着冷却液入口温度的降低，电池的冷却效果会更好。但是，由于15℃时冷却液入口与环境的温差过大，并且考虑到电池导热系数条件的限制，电池的最高温度在放电开始时会有较大的波动。此外，锂电池更适合在温度稳定的环境下工作，所以冷却液入口温度不能过低，最适合冷却液入口温度为20℃。

3.3放电倍率对锂电池热管理系统散热性能的影响

2C放电倍率情况下，在放电前1h内，4只单体电池的最高温度从25℃迅速升高到26.7℃～27.2℃，这是由于电池内部导热系数决定的。1h后，最高温度的上升趋于缓慢，有轻微的下降趋势。放电5h后，最高温度又开始急剧上升。放电结束时，四只单体电池的温度在28.2℃～28.8℃之间，这是放电结束时电池的导热系数升高的缘故，每个电池的最高温度也迅速升高。放电结束后，该组电池的最高温度可冷却至不超过29℃。在相同的冷却条件下，电池的温度也可以控制在最佳工作温度范围内，说明优化的冷却结构仍然具有较好的冷却效果。3C放电倍率情况下，各电池最高温度随时间的变化曲线与2C放电倍率的冷却条件基本相同。各电池的最高温度随时间的增加而增加。放电开始1h，电池最高温度升至29℃以上，温度随放电时间的增加而升高。最后，温度上升到32℃以上，但不超过36℃，锂电池在电源状态下的最佳工作温度为29℃～40℃，这不超过锂电池的最佳工作温度。因此，在3C放电倍率的情况下，方案2优化的冷却结构也可以很好地控制电池组的温度，冷却效果更好。

结语

研究对象为新能源汽车锂电池热管理系统的热性能，可以根据实际需求对不同的优化方案进行设计，以促使新能源汽车锂电池的热管理系统热性能得到持续优化。通过对方案二进行应用，确认其中冷却液流量、入口温度以及放电倍率的最优状态，结果显示，冷却液流量应控制为每分钟2L、入口温度应控制为20℃、放电倍率应控制为3C，在此状态下，新能源汽车锂电池热管理系统热性能可以得到最佳的优化效果。

参考文献

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