深度混合动力汽车用镍氢动力电池热管理系统研究

随着资源紧缺和环保问题的日益严峻,世界各大汽车厂商纷纷开始对深度混合动力汽车进行研究。镍氢电池组(Ni-MH)作为一种深度混合动力汽车用新型储能元件,其性能优劣与使用寿命对整车的性能和生产成本都有重要影响。随着电池的充放电,Ni-MH电池中会累积大量的热量,受车载空间和时间的限制,如果不能有效地将电池组散热,设计出合理的热管理系统,会导致电池组内温度过高和各处温度的不一致,影响电池组的性能及其使用寿命,因此深入研究Ni-MH电池组的热管理系统(Battery Thermal Management System,简称BTMS)对提高电池组使用寿命、改善电池组充放电性能以及保证整车的安全运行具有十分重要的意义。本文先对Ni-MH电池组反应原理及生热原理进行理论分析,并对Ni-MH电池组的温度特性进行试验研究,试验结果表明温度会影响Ni-MH电池组的自放电、直流内阻、充放电效率以及可用容量,并根据试验结果提出了深度混合动力汽车用Ni-MH电池组热管理系统的温度指标。根据深度混合动力汽车的功率需求和电池组热管理目标,结合整车的空间结构布置,设计出4排5列的电池模块布置方案,使用CFX软件对电池组初始设计方案的流场和温度场进行了仿真分析,并提出了优化方案。对电池组优化结构模型的稳态和瞬态温度进行仿真分析,结果表明该优化方案能有效降低电池组温升并保证电池模块之间的温度一致性,满足深度混合动力汽车用Ni-MH电池组的散热要求。本文开发了一种电池内部温度预测方法,可根据电池模块的产热速率、空气对流换热系数以及冷却空气温度,来在线预测电池模块内部温度,通过台架试验验证了内部温度模型的正确性。主动式热管理系统根据模型预测得到的内部温度分别进行风机控制和功率限值,从散热和产热两个方面双重控制电池包温度,控制效果显著,可避免单方面根据电池表面温度进行风机控制所带来的冷却不足和过度冷却,保证电池温度始终维持在合理的温度范围内。并实现了整车下强电后风机延时控制,有效地保护了电池。将整个热管理系统集成于电池管理系统BMS中,经过15万公里的耐久台架试验,电池各模块间的OCV、内阻、容量等参数差别较小,电池组的一致性较好,内阻仅从13 mΩ增加到14 mΩ,电池组的容量损失为9%,电池组性能较好,可继续使用。经过记忆效应测试发现,Ni-MH电池组SOC的主要工作区间为30%~57%,电池没有出现过充过放的现象。表明该BTMS对电池组起到了很好的保护作用,维持了电池温度在合理范围内,保证了电池的良好性能,延长了电池的使用寿命。