1、北京汽车 2010.No.1北京汽车0 前言电池包作为电动汽车上装载有电池组的主要储能元件，是电动汽车的关键部件，直接影响到电动汽车的性能 。锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和长寿命等优点 ,目前在电动汽车电池包中得到良好应用 。但锂离子动力电池的性能对温度变化较敏感 ,特别是车辆上运用的大容量 、高功率锂离子电池 。车辆上的装载空间有限，车辆所需电池数目较大，电池均为紧密排列连接 。当车辆在高速 、低速 、加速 、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时，电池会以不同倍率放电，以不同生热速率产生大量热量，加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集，从而导致电池组运行环境温度复杂多变 。由于
2、发热电池体的密集摆放，中间区域必然热量聚集较多，边缘区域较少，增加了电池包中各单体之间的温度不均衡，加剧各电池模块 、单体内阻和容量不一致性 。如果长时间积累，会造成部分电池过充电和过放电，进而影响电池的寿命与性能，并造成安全隐患 。如果电动汽车电池组在高温下得不到及时通风散热，将会导致电池组系统温度过高或温度分布不均匀 ,最终将降低电池充放电循环效率 ,影响电池的功率和能量发挥 ,严重时还将导致热失控 ,影响电池的安全性与可靠性；再者在低温下，电池内部的电化学反应由于受温度影响也不能够正常运行，需要对电池包进行加热 。因此为了使电池包发挥最佳性能和寿命，需要优化电池包的结构，对它进行热管理，
3、增加散热加热设施，控制电池运行的温度环境 。1 电池包加热与散热系统1.1 主动系统与被动系统采用主动方式还是被动方式加热和散热，效率会有很大差别 。被动系统所要求的成本比较低，采取的设施也较简单 。主动系统结构相对复杂一些，且需要更大的附加功率，但它的热管理更加有效 。考虑成本 、质量 、空间的布置，早期在温和气候条件下使用的车辆都是没有使用加热或冷却单元并且只依靠空气来散热电池（如图 1） 。目前生产的一些混合电动汽车也是使用环境空气来文章编号： 1002- 4581（ 2010） 01- 0005- 04电动汽车电池包散热加热设计车杜兰1，周 荣2,乔维高Che Dulan， Zhou
4、Rong， Qiao Weigao（ 1. 武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070；2. 中国汽车技术研究中心清源电动车，天津 300162）摘 要： 电池包的热管理是电动车和混合动力电动汽车在所有气候条件下有效运行必不可少的 。文中分析了温度对电池组性能和寿命的影响 , 概括了电池组热管理系统的功能 ,介绍了电池包热管理需解决的一些问题和相关解决方案，以及怎样合适地设计电池包散热加热系统 。关键词： 电池包热管理；冷却；加热中图分类号： U469.72 文献标识码： A电动汽车电池包散热加热设计 5北京汽车 2010.No.1北京汽车被动冷却 / 加热电池包 。尽管空气是经过汽车空
5、调（交流）或供暖系统冷却和加热的，但它仍然被认为是一种被动系统（如图 2） 。运用这种被动系统，环境空气必须在一定温度范围（ 1035）中才能正常进行热管理，在环境极冷或极热条件下运行电池包可能会产生更大的不均匀 。相关实验也证明被动系统中，由于引入环境空气的温度不一致性，冷却加热电池包会导致电池包更大的不均匀性 。下面为空冷和液冷主被动系统示意图 。1.2 散热系统根据传热学理论，固体与气体，固体与液体接触产生传热现象 。气体的对流换热系数远远没有液体的对流换热系数大，液体和固体接触对流换热能力更强 。传热系数越大所交换的热量越多，换热效果就越明显，因此要选择合适的传热介质 。各种传热现象的
6、传热系数范围如表 1 所示 。使用液体作为传热介质，需要考虑导电性，安全性，还有密封性，以及以后的维修方便性，还要考虑到电池包整体的重量 。相变材料（例如液体石蜡）的传热蓄热能力最强，且在达到相变温度时可以大量吸热或放热而不升温降温 。通过选用合适的相变材料能够使电池单体有效地达到热平衡，很好地控制电池温度上下限，避免产生温度过高过低现象 。但是考虑到材料的研发 、制造成本等问题，目前最有效且最常用的还是采用空气作为散热介质 。目前多采用的空冷主要有并行和串行两种通风方式，如图 7 图 8 所示 。这就要求在电池包结构上设计相应导风口，尽量减小空气流动阻力，保证气流的均匀性 。电动汽车电池包散
7、热加热设计 图 1 被动冷却 外部空气流通图 2 被动加热和冷却 内部空气流通图 3 主动加热和冷却 外部和内部空气流通图 4 被动冷却 液体循环图 6 主动冷却 / 加热 液体循环图 5 主动冷却 / 加热 液体循环表 1 表面传热系数的一般范围对流换热问题的类型 h/w /(m2k)自然对流换热：气体 2-25液体 50-1000强迫对流换热：气体 25-250液体 50-25000相变对流换热：沸腾 2000-50000凝结 2000-100000图 7 串行通风图 8 并行通风6北京汽车 2010.No.1北京汽车串行情况下一般是使空气从电池包一侧流往另外一侧，从而达到带走热量的效果
8、。因此气流会将先流过的地方的热量带到后流过的地方，从而导致两处温度不一致且温差较大 。而并行情况下模块间空气都是直立上升气流 。这样能够更均匀地分配气流，从而保证电池包中各处散热一致 。在设计电池包散热加热系统时，应该综合考虑各因素 。可以看出：采用气体（空气） 作为传热介质的主要优点有：结构简单，质量轻，有害气体产生时能有效通风，成本较低；不足之处在于：与电池壁面之间换热系数低，冷却速度慢，效率低 。目前应用较多 。采用液体作为传热介质的主要优点有 : 与电池壁面之间换热系数高 , 冷却 、加热速度快；不足之处在于：密封性要求高，重量相对较大，维修和保养复杂，需要水套 、换热器等部件 , 结
9、构相对复杂 。采用相变材料的主要优点有：与电池壁面之间换热系数高，冷却 、加热速度快，效率高，还能一定程度上控制温度上下限；不足之处在于：研发制造成本高 。1.3 加热系统在气候严寒温度较低的季节中使用电池时，必须加热才能够保证电池的正常运行，同时保证整车的正常启动和运行 。表 2 为实测某 6Ah LI-Ion电池在不同放电倍率，不同温度下的发热量 。可以看出电池在低温下，生热率最大 。这样就导致车辆在严寒气候条件下启动时，电池包产生的能量大部分会用来发热而不是产生车辆运行的电流 。如果在低温下启动会导致电池包中电流不稳定，同时还会影响电池的寿命 。为了保证电池正常有效运行，必须在低温下对电
10、池包加热 。同散热一样可以通过流体加热 。将空气或液体加热后引入到电池包中，然后将热量传递给电池 。由于常用空气作为传热介质，可以将空气加热后引入到电池包，但是由于电池包中流速及空间的限制，气态空气将热量传导至固态电池上效率较低，且各处流速不均，很难保证均匀传热 。因此更多采用其它方式加热电池包 。目前除了将热空气引入到电池包中，更多采用其它方式如加热板加热 、发热线缠绕加热 、电热膜包覆加热等 。试验证明这些加热方式更加有效且升温迅速，能够保证各处加热均匀 。如图 9 图 12所示 (方型电池 )。结构最简单的加热方式就是在电池包上下添加加热板实行加热，在每个电池列前后缠绕加热线，例如硅胶加
11、热线来对电池加热 。或者利用加热膜（如金属电热膜 、碳基电热膜等）整个包覆在电池四周进行加热 。电池加热所运用的能量也是由电动汽车电池包中的能量提供的，因此必需考虑到加热能量利用的有效性 。研究表明电热膜具有很高的成形性，能够紧密贴在电池本体上，传热效率更高且能量浪费损失更小，有利于电池包的能量运用 。再者加热后热传导均匀，更能够保证电池加热的一致性，使得加热升温更加有效且迅速 。当然电热膜加热构造更加复杂 。考虑到加热的经济性还有成本及工艺问题采用有效的加热方式是很有必要的 。2 结论应该根据电池的热特性来选择加热冷却系统 。某些电动汽车电池包，在车辆经常使用温度环境下，不需要进行加热和散热
12、就能够正常运电动汽车电池包散热加热设计 表 2 Li-Ion,6AH 电池生热率放电倍率 SOC 0 2225 4050C/1 倍率放电 80%-50%SOC 0.6W/cell 0.04W/cell -0.18 W/cell5C 倍率放电 80%-50%SOC 12.07W/cell3.50W/cell 1.22 W/cell图 9 电池列前后缠绕加热线 图 10 电池列间添加加热膜图 11 电池本体上包覆电热膜 图 12 电池上下添加加热板（下接第 39 页）7北京汽车 2010.No.1北京汽车行，有些混合动力汽车只需要冷却系统，有些车辆例如纯电动汽车需要冷却和加热两个系统才能保证正常运
13、行 。还应根据具体强度需求来选择何种加热和散热方式 。例如并联混合电动汽车或一些由电源协助的混合动力汽车，空冷散热系统就足够了，对于纯电动汽车和串联混合电动汽车，产生的热量较多，可能需要更有效的液体冷却系统 。另外还应该考虑车辆的构造，以及成本需求等合理地选取主被动方式，充分利用车辆自身资源 。例如对于混合动力汽车可以将内燃机运行所产生的热量引入到电池包中进行加热 。把空调系统引入到电池包中进行热管理，这样即可节约能量又可简化结构 。总之所设计的散热加热系统需要满足结构简单 、系统可靠耐用 、低成本以及低寄生功率等特性 。参考文献 1陈全世，朱家琏，田光宇 .先进电动汽车技术 M.北京：化学工
14、业出版社， 2007. 2付正阳，林成涛，陈全世 .电动汽车电池组热管理系统的关键技术 J.公路交通科技， 22（ 3） . 3 Ahmad A.pesaran,Steve burch,and Matthew keyser.ANapproach for designing thermal management systems for electricand hybrid vehicle battery packs C .The Fourth vehicle ThermalManagement Systems Conference and Exhibition， May 1999. 4 Ahma
15、d A.pesaran,Battery Thermal Management in EVsand HEVs： Issues and Solutions C . Advanced Automotive BatteryConference， February ， 2001.收稿日期： 2009-09-01通过对比仿真结果可见 : 采用近似 D- 最优设计对悬架优化后的动载荷系数变小，优化后动载荷系数极限值较优化前降低 3.82%，动载荷作用力也减小了，即减小了车辆对路面的动载作用，同时车辆的平顺性并未因此被破坏 。6 结论文中介绍了试验优化技术的理论基础，并结合实际模型选择近似 D最优试验设计 。
16、优化参数分别为前后悬架的弹簧刚度 、减振器阻尼 。对整车模型进行以降低车路耦合的动载荷系数均方根值为目标，同时兼顾平顺性指标的试验优化设计 。将优化结果参数代入模型中进行仿真验证，发现在新参数下汽车对路面的动载作用有所改善，且平顺性指标基本保持不变 。参考文献 1任露泉 . 试验优化技术 M . 北京：机械工业出版社，1986. 2余志生 . 汽车理论 M . 北京：机械工业出版社， 2000. 3喻凡，林逸 .汽车系统动力学 M .北京：机械工业出版社， 2005. 4中华人民共和国机械工业部 . GB7031-86 车辆振动输入 路面平整度表示方法 S .北京：中国标准出版社， 1986.
17、 5 Eddie Wheeler. Dynamic Loading of Pavements J . Road& Transport Research. 1993， 2（ 2） :100-103. 6 Using ADAMS/Car CP . Mechanical Dynamics Inc， AnnArbor， Michigan， 2002. 7刘晶郁，王少增，蔡红民 .重型载货汽车悬架的优化设计 J.长安大学学报（自然科学版）， 2008， 28（ 5） :103-106. 8 Sharp R S， Crolla D A. Road vehicle suspension systemdesi
18、gn: A review J . Vehicle System Dynamics， 1987， 16（ 3） :167-169. 9陈黎卿，王继先，郑泉 . 基于 ADAMS 的悬架系统与整车匹配优化设计 J .合肥工业大学学报 :自然科学版， 2006， 29（ 7） :814-817. 10刘光远，高瑞贞，张京军，楼康华 .并行遗传算法在汽车悬架系统参数优化设计中的应用研究 J . 计算机应用与软件， 2006， 23（ 7） :18-20. 11孙璐，邓学钧 . 车辆 - 路面相互作用产生的动载荷 J .东南大学学报， 1996， 26（ 5）： 142-145.收稿日期： 2009-09-08（上接第 7 页）!试验优化技术在车路耦合分析中的应用 39
