电动汽车动力锂电池组电源管理系统的设计研究

周炳伟

摘 要：随着我国电动汽车高科技发展的不断进步，电动汽车中的锂电池组电源管理系统的性能和设计越来越受到广泛关注，从现行的电池组电源管理系统中应实现逐步的改进，在电池组的高温和最大温差上做合理设计研究，只有这样才能让电动汽车的锂电池组发挥更高的性能，从而提高电动汽车的综合性能和动力。该文笔者主要针对电动汽车动力锂电池组的电源管理系统设计做研究，以供参考。

关键词：电池热管理 电动汽车 锂电池组 电源管理

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（b）-0034-02

近年来，环境能源危机和环境质量的大幅度降低促进了电动汽车的快速发展，在电动汽车的发展过程中，电池作为主要能源，对电动汽车的动力产生了较大影响，而在电动汽车最主要的动力来源的锂电池性能的好坏则更加影响电动汽车的整体综合性能，锂电池的电源管理系统在启动和运行时都会放出大量的热量，如果热量分布不均匀就会造成锂电池组电源管理系统的性能下降，从而严重影响电池的寿命，因此，较好地降低锂电池组的控制温度是电池性能增加的关键。从现有的锂电池组管理系统来看，能够满足的材料不多，因此，需要新型的电池组材料才能满足电动汽车的动力发动。

1 散热方案设计

1.1 相变材料的原理及制备

相变材料（PCM）是一种能够吸收和释放相变潜热的材料，近年来在国外出现的采用相变材料冷却的电池热管理系统展现出良好前景，值得引起国内业界高度重视。石蜡是市面上常用的相变材料，它由于具有相变温度接近电池的最佳工作温度，单位质量相变潜热高，成本低廉等特点，已经被广泛应用。但它的缺点是具有较低的热导率，不利于对电池进行散热通过瞬态平面法测得石蜡的热导率为0.156 7 W·m-1·K-1，而通过激光导热法测得的复合相变材料的导热率为3.953 W·m-1·K-1。所以，该文拟在石蜡中加入适当比例的石墨，以弥补单一石蜡热导率低的问题。利用Maxwell-Eucken模型估算不同膨胀石墨质量分数下的石蜡/膨胀石墨复合相变材料的导热系数。

为验证理论计算的正确性，做了如下实验验证。相变材料的工作过程如下：相变材料自身发生相变时，吸收电池充放电时释放的热量，从而降低电池温度，减小各部分间的温差。可以计算出使一个电池保持在合适且稳定工作温度范围下所需要的相变材料的质量。假定电池最佳工作温度为40 ℃～50 ℃，并计算得出所需相变材料985.4 g。在保证石蜡总质量不变前提下，改变石墨质量，并研究石蜡/石墨复合相变材料的组成对电池散热性能影响，为此配制了3种石蜡/石墨复合相变材料，其组成和主要热物理性质。

1.2 锂电池组散热单元的设计

对于柱状电池组，空气流场的分布会直接影响温度场的分布。因此，合理设计电池模块的排列方式，进、出风口，选择合理的箱体形状，获取合理的流场分布，是电池组设计的主要内容。市面上大多数电池的排列方式为平行排列和交错排列，但是由于冷却风流经上游电池模块后，自身温度上升，导致冷却下游电池的能力下降，整个电池箱内的整体温度分布不均。因此，在交错排列的基础上提出的梯形排列，采用这种梯形结构，可使沿气流方向的冷却风温度上升的同时，冷却风的风速逐渐增大，对流换热系数增大，使上下游空气冷却效果基本平衡，最终电池组内部各区域的温度能基本控制在比较均匀的水平上。根据梯形排列方式，选用某品牌18650钴酸锂电池为研究对象进行建模，经过简化后设计出26个单体电池所组成的电池组。单体电池尺寸为Φ18 mm×65 mm，26个电池呈梯形排列，电池均匀排列且间距为35 mm。接下来，对电池箱整体进行设计。考虑到复合散热的需要，利用Solidworks软件对箱体进行仿真建模，设计出相应的箱体。

2 锂电池组电源管理设计

根据电源管理系统的总体应用需求，对电池组提出如下要求：

2.1 电池组的设计

根据电源管理系统负载，电流在2 A左右，电压范围9 ～13 V，待机需2 h左右。根据这项要求，核算出电池组的容量：2A*2H=4 000 mAh。考虑到成本和生产效率因素，采用通用型锂电池18 650（聚合物需要定制，周期长，成本高）。18650电芯标准电压3.7V，常用容量2 600 mAh。根据以上对电压和容量的要求，可以算出；需要3个电芯串联，标准电压达到11.1 V，最高12.6 V，最低9 V，满足电压的要求；需要再并联1组，容量达到5 200 mAh，满足容量的要求。即采用3串2并的共6节电芯搭配方案。总结为：电池组为3串2并方案，标称电压11.1 V，标称容量5 200 mAh。

2.2 控制板的设计

由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此，鋰电池组需要一块控制板才能够安全地使用。在电池组待机工作时，系统需求电流正常为2 A，最大为5 A。总结上述要求，对控制板的功能设计要求如下：（1）过充保护功能，针对每节电芯，过充电压4.22 V；（2）过放保护功能，针对每节电芯，过放电压2.75 V；（3）短路保护功能，针对每节电芯；（4）过流保护功能，选择为最大电流的1.3倍，即6.8 A；（5）过温度保护功能，针对电池组表面；（6）控制板尺寸要尽量小。

保护板通常包括控制IC、MOS开关、电阻、电容、NTC等。其中控制IC，在一切正常的情况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路导通，而当电芯电压或回路电流超过规定值时，它立刻控制MOS开关关断，保护电芯的安全。根据要求达到的五种保护功能，首先选择合适的控制IC。同样考虑到成本的限制，选择国内较为成熟的动力电池芯片控制IC-BM3451贴片式，该IC具有如上所有保护功能。接下来依照控制IC应用说明绘制控制板电路如下：

电路中MOS Q1～Q4的参数选择，其电流要留有余量，选择最大电流的2倍即10 A，每个MOS 5 A容量。R11的设计满足过流8A的要求，取10 mΩ。NTC选择常见的10 kΩ，温度设定在50 ℃。以此设定各器件参数。输入端口为电池正负极B+＼B-和串联中间二个节点B2＼B1，输出端口为P+＼P-，输出端增加一个connector，方便与系统接线至此，电路设计完成，重新检查无误后LAYOUT控制板。

2.3 结构的设计

根据系统预留空间，考虑到电芯和PCB的固定可靠性，需要设计一个支架来固定。考虑将电芯靠在支架两侧，双面胶固定，PCB位置设计成卡口固定，外面再用套管套住，这样就能保证结构的稳定性了。

2.4 电池模组的整体设计

支架的尺寸与控制板要一致，修正控制板的尺寸图，模拟组装没有问题后，控制板和支架就可以发出去打样板了。其他辅料稍作设计，也发出去打样。样品到齐后组装成品。

3 效果分析与测试

根据所设计的散热方式和电池组箱体结构，利用Fluent进行仿真模拟，对比自然散热和新型散热方式散热效果可以看出，所设计的新型散热方式将最高温度降低了31%，最大温差降低了55%，电池组性能得到了显著提高。

4 结语

综上所述，通多锂电池组的整体管理系统设计，首先能够解决锂电池组的散热问题，散热量越好就能够显著地提高锂电池组的使用效率，增加性能和功率，从而通过这种复合散热设计方式也增加了锂电池组的散热结构，保证散热均衡，在电源管理系统的设计结束够，通过测试其性能稳定，复合锂电池组电源的运行环境，并且整体锂电池组电源组的电源管理系统方案稳定，能够为今后的电动汽车动力锂电池组电源管理系统提供更多的宝贵经验。

参考文献

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