电动汽车电池组热管理系统的关键技术

第22卷第3期公路交通科技

Vol.22No.3

2005年3月JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentMar.2005

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文章编号：10020268（2005）03011905!!!

电动汽车电池组热管理系统的关键技术

付正阳，林成涛，陈全世

（清华大学

汽车安全与节能国家重点实验室，北京

100084）

摘要：电池组热管理系统的研究与开发对于电动汽车的安全可靠运行有着非常重要的意义。本文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，介绍了电池组热管理系统设计的一般流程，并对设计热管理系统提出了建议。文章重点分析了设计电池组热管理系统过程中的关键技术，包括电池最优工作温度范围的确定、电池生热机理研究、热物性参数的获取、电池组热场计算、传热介质的选择、散热结构的设计等。关键词：电动汽车；电池组；热管理系统中图分类号：TM911.41

文献标识码：A

KeyTechnologiesofThermalManagementSystemforEVBatteryPacks

FUZheng!yang，LINCheng!tao，CHENOuan!shi

（StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China）

（BTMS）isveryimportantfortheoperationsafetyandrelia-Abstract：Researchanddevelopmentofbatterythermalmanagementsystem

（EV）bilityofelectricvehicle.Inthispaper，byanalyzingtheinfluenceoftemperatureontheperformanceandservicelifeofbatteries，thedesiredfunctionofaBTMSwasoutlined，aprocedurefordesigningBTMSwasintroduced.SeveralkeytechnologiesduringdesigningaBTMSwereintroducedandanalyzed，includingoptimumoperatingtemperaturerangeofabattery，heatgenerationmechanism，ac-guisitionofthethermodynamicparameters，calculationoftemperaturedistribution，selectionofheattransfermedium，designofcoolingstructureandsoon.

Keywords：Electricvehicle；Batterypack；Thermalmanagementsystem

0引言

能源与环境的压力使传统内燃机汽车的发展面临

在比较恶劣的热环境中，这将缩短电池使用寿命、降低电池性能；（2）电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡；（3）电池组的热监控和热管理对整车运行安全意义重大。

清华大学从承担国家“八五”电动汽车攻关项目以来，在电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车关键技术的研究中，积极开展了电池组热管理系统的研究，并在样车上进行了道路试验，目前电池组热管理系统的优化设计与改进工作正在进行中。本文是对前阶段研究工作的总结和今后工作的展望。

前所未有的挑战，各国政府、汽车公司、科研机构纷纷投入人力物力开发内燃机汽车的替代能源和动力，这大大促进了电动汽车的发展。

电池作为电动汽车中的主要储能元件，是电动汽

［1，2］

车的关键部件，直接影响到电动汽车的性能。电

池组热管理系统的研究与开发对于现代电动汽车是必需的，原因在于：（1）电动汽车电池组会长时间工作

收稿日期：20040316!!

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）重大专题项目（2003AA501100）

作者简介：付正阳（1978-），男，北京人，清华大学汽车工程系硕士研究生，主要从事电动汽车方面的研究.

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电池组热管理系统的功能

公路交通科技第22卷

池组的性能和寿命，发现模块间的温度梯度减少了整个电池组的容量，他们推荐保持电池组内温度的均匀分布和控制现有铅酸电池温度在35~40C之间。

［10］

研究了一种电动车用铅酸电池的温Wicks和Doane

度相关性能，他们发现效率和最大运行功率在-26~65C范围内增加。

氢镍电池的性能也与温度相关。当温度超过50C时，电池充电效率和电池寿命都会大大衰减，在低温状态下，电池的放电能力也比正常温度小得多。为了提高电动汽车电池组的性能，一方面电池生产商努力开发满足电动汽车使用要求的电池，另一方面电池使用者也通过优化现有电池的使用环境发掘电池的潜能。电池组热管理系统是从使用者角度出发，用来确保电池组工作在适宜温度范围的整套系统，包括电池箱、传热介质、监测设备等部件。

电池组热管理系统有如下5项主要功能：（1）电池温度的准确测量和监控；（2）电池组温度过高时的有效散热和通风；（3）低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；（4）有害气体产生时的有效通风；（5）保证电池组温度场的均匀分布。"

电池组热管理系统的设计流程

设计性能良好的电池组热管理系统，要采用系统化的设计方法。很多研究人员都发表文献介绍了各自

设计热管理系统的方法［3~5］

。美国国家可再生能源实

验室（NREL）的AhmadA.Pesaran等人在文献［6］中介绍的电池组热管理系统设计的一般过程具体而系统，最具有代表性，其设计过程包括7个步骤：（1）确定热管理系统的目标和要求；（2）测量或估计模块生热及热容量；（3）热管理系统首轮评估（包括选定传热介质，设计散热结构等）；（4）预测模块和电池组的热行为；（5）初步设计热管理系统；（6）设计热管理系统并进行实验；（7）热管理系统的优化。#

电池组热管理系统设计过程中的关键技术#$!

确定电池最优工作温度范围

在不同的气候条件、不同的车辆运行条件下，电池组热管理系统要确保电池组在安全的温度范围内运行，并且尽量将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范围之内。所以设计电池组热管理系统的前提是要知道电池组最优的工作温度范围，可以由电池制造者提供，也可以由电池使用者通过实验来确定。

目前电动汽车用电池主要有铅酸电池、氢镍电池和锂离子电池。铅酸电池应用到电动汽车上的时间比

较久，相关研究比较多。Anderson［7］研究了1984~1988年超过500万辆汽车的SLI用（启动、照明、点

火）电池，总结出SLI铅酸电池的寿命随着温度增加线性减少，然而充电效率却线性增加。Sharpe和ConeII［8］

研究了温度对铅酸电池充电的影响，发现随着电池温度的降低充电接受能力下降，特别是0C以

下。Dickinson和Swan［9］

评估了几种电动车用铅酸电

图1是本实验室做的某80Ah氢镍电池不同温度下电池放电效率实验，由图中可以看出，在温度高于40C或者温度低于0C时，电池的放电效率显著降低。如果仅根据这一限制，此电池的工作运行范围应该在0~40C之间。

Tt=k2

x

2T!x2+ky!y2+kz2

T!

z2+g（1）式中，T是温度；!是平均密度；Cp是电池比热；kx、ky、kz分别是电池在x、y、z方向上的热导率；

第3期付正阳，等：电动汽车电池组热管理系统的关键技术

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g是单位体积生热速率。!"#"$电池生热速率

工程应用中准确获取电池单位体积生热速率g表达式比较困难，这是求解电池温度场的难点所在。目前主要有理论计算和实验两种方法得到g。

［14］

假设电池生热在电池体内均匀分布，Bernadi建立了一种典型的电池生热模型。

热量，所以生热问题不是很严重，生热量如下

0Discharge=-0.547Id+3.6I2dRt

充电电流；Id是电池的放电电流。

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