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混合动力|混合动力汽车镍氢电池热管理策略研究


来源 | 电动学堂
1 引言
作为混合动力汽车常用电池之一 ， 镍氢电池具有高质量比功率、循环次数多、无污染等优点 。 混合动力汽车的运行工况复杂多变 ， 在汽车行驶过程中 ， 需要对电池频繁地进行大倍率充放电 ， 会使电池组的温度急剧上升 。 电池的温度是影响电池性能的最主要因素之一 ， 电池的温度与电池组热管理系统息息相关 ， 因此对电池组热管理系统进行研究对新能源汽车的发展具有重要的工程意义 。
这里提出一种PID控制算法用于热管理系统中的空调与水泵的控制 ， 确保电池组的最高温度以及温差都在合理的范围内 ， 最后并对设计的策略进行试验验证 。
2 电池组热管理分析
2.1 电池组冷却系统
由于电池在低温下的性能良好 ， 能够满足整车的需求 ， 所以电池组热管理只有冷却功能与均热功能 ， 无加热功能 。 电池组的冷却方式采用液体冷却 ， 冷却液为50%聚乙二醇+50%水的混合溶剂 。 电池组冷却系统结构 ， 如图1所示 。 主要包括两条回路：电池组冷却系统回路与空调冷却系统回路 。
混合动力|混合动力汽车镍氢电池热管理策略研究
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基于电池组冷却系统回路 ， 把电池组的冷却方式定义为两种：散热器冷却与空调冷却 。 散热器冷却是利用风扇使冷却液在散热器处与空气进行强制对流散热 ， 再由散热后的冷却液对电池组进行冷却；空调冷却是在散热器冷却的基础上 ， 利用空调系统对冷却液进行降温 ， 再使用降温后的冷却液对电池组进行冷却 。 当电池有冷却需求时 ， 风扇和水泵会一直开启 ， 风扇只有一个档位 ， 只能控制其开关 。
2.2 电池热管理目标
组成电池组的电池是标称容量为6Ah的镍氢电池 ， 其单体额定电压为1.2V ， 电池组共有240个单体组成 。 镍氢电池的工作温度为（-20~50）℃ ， 若电池最高温度长期50℃以上 ， 电池的工作性能以及寿命将会受到很大的影响 ， 为了使电池的工作性能与寿命最大化 ， 电池的工作温度应保持（25~40）℃之间；而电池组内部电芯单体之间的温差长时间大5℃会导致电芯内阻、容量差异扩大 ， 最终引发各电芯电量的不一致性 。
因此电池组热管理策略目标设定为：
①保证电池组最高温度小于50℃ ， 使电池组温度保持在最佳工作温度区间内；
②保证电池组各电芯单体之间的温差小于5℃ 。
2.3 影响电池组温度因素的分析
对于电池热管理的目标① ， 由于电池发热特性与电池本身的物理特性以及电池充放电电流的大小有关 ， 为了保证混合动力汽车的动力性能 ， 只有在极端情况下会对电流采取限制行为 ， 因此若要保证电池的最高温度在合理的范围内 ， 需要有充足的散热量 。 当冷却液流经电池组时 ， 冷却液与电池间会发生对流传热：
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式中：Q—电池传递给冷却液的热量；h—液冷板的表面传热系数；tf—液冷板的表面温度；tw—入水口冷却液的温度；A—冷却液与液冷板的接触面积 。
由式（1）可得 ， 通过降低冷却液温度能增加电池传递给冷却液的热量Q 。
电池传递给冷却液的热量中一部分会使冷却液的温度上升：
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式中：△T—冷却液升高的温度；Qw—冷却液升温所吸收的热量；Cp—冷却液的比热容；M—流经液冷板冷却液的质量 。
为了保证电池组温度的均匀性 ， 在设计电池组结构时会保证△T的在2℃以内 ， 因此可以通过增大冷却液质量即增加冷却液的流量来增加Qw 。
对于电池热管理的指标② ， 考虑到液体冷却在均热能力上较为突出 ， 而且由于目前电池制造工艺与技术的完善 ， 可以认为电池单体的发热是均匀的 ， 为了控制温差在合理的范围内 ， 只要保证电池单体与冷却介质的换热量均匀即可 ， 即可以通过冷却液流量的控制来达到均热的效果 。


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