新能源汽车动力电池组热失控检测与热管理策略探析

摘要：新能源汽车动力电池组直接决定了整车的续航里程、加速性能和使用寿命等核心指标，只有在电池组方面取得长足进步，构建高性能、长寿命、低成本的电池系统，才能真正提升新能源汽车的整车性能和用户体验，最终实现与传统燃油车的全面竞争，从而推动能源转型和可持续交通发展。围绕新能源汽车动力电池组热失控检测和热管理策略展开研究，阐述了动力电池组热管理的重要性，分析新能源汽车的动力电池组热失控检测路径，并论述了新能源汽车动力电池组热管理策略。

关键词：新能源汽车；动力电池组；热失控检测；热管理策略

中图分类号：U469.7 收稿日期：2024-10-30

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.032

1 前言

新能源汽车因其清洁环保、能源高效利用等优势成为汽车产业发展的必由之路，而动力电池作为新能源汽车的“心脏”，其安全性、一致性和使用寿命直接决定了整车的性能表现[1]。动力电池在使用过程中极易出现热量堆积、温度异常等热失控问题，这不仅会加剧电池衰化、缩短使用寿命，还可能引发严重的安全事故。因此，对动力电池组热失控状态进行及时精准检测，并基于检测结果采取相应的热管理策略，对确保新能源汽车的安全运行和提升整车性能至关重要。

2 新能源汽车动力电池组热管理的重要性

新能源汽车的动力电池组是其核心组件之一，其性能直接影响汽车的续航里程、安全性及整体寿命。因此，动力电池组的热管理系统（Thermal Management System，TMS）显得尤为重要。

动力电池在使用过程中会产生热量，如果热量不能有效控制，电池温度过高将会加速电池老化，降低电池的能量输出效率和功率输出，从而直接影响汽车的续航里程。电池在最佳温度范围内（通常为20～40 °C）可以维持最佳的化学反应速率，确保电能的最大利用和最高输出[2]。热管理系统通过监控电池温度并通过冷却或加热措施调节温度，可以有效地保持电池组在最佳工作温度区间，从而确保电池的高效运作，延长车辆的实际行驶里程。例如，在寒冷环境下，热管理系统可以预热电池组，避免电池因温度过低而导致的启动困难或续航能力下降；而在高温环境下，系统则通过冷却措施防止电池过热，确保车辆的性能稳定。

动力电池的安全性是新能源汽车最为关注的问题之一。电池组在过热情况下会发生热失控，这是电池安全事故中最严重的一种情况，有效的热管理不仅可以预防因温度过高引起的热失控问题，还可以防止由于温度不均造成的电池内部结构损伤，这种损伤可能会加速电池老化，减少电池的整体寿命[3]。电池在适宜的温度条件下运行，其化学反应更加稳定，电池衰减速度更慢，从而显著延长电池的使用寿命。热管理系统通过精确控制每个电池单元的温度，确保所有电池单元均匀受热，避免部分单元过热或过冷，从而在全电池组层面上实现温度的均衡，提高了电池组的整体可靠性和稳定性。doV5yySRKYcmh8DbMTbvfA==

3 新能源汽车的动力电池组热失控检测路径

3.1 多参数实时监测与预警

新能源汽车的动力电池组在运行过程中可能会由于多种原因发生热失控，这对车辆的安全性构成严重威胁，因此，实现动力电池组的多参数实时监测与预警是提高电池安全性的关键技术之一。

动力电池组的热失控通常是由多种因素共同作用的结果，包括电池的温度、电压、电流以及电池内部的化学反应状态等，为了全面掌握电池组的运行状态，研究人员需要对这些参数进行实时监测。首先，温度是影响电池性能和安全的关键指标，通过在电池单元中部署温度传感器，研究人员可以实时监测到每个电池单元的温度变化，一旦某个单元的温度超过预设的安全阈值，系统便会立即发出警报[4]。其次，电压和电流的实时监测也同样重要，异常的电压或电流变化是电池性能下降或热失控的前兆。例如，如果电池单元出现短路或充电过程中电流过大，系统可以通过电压和电流的异常波动来及时检测并进行处理。现代电池管理系统（BMS）集成了高精度的传感器和先进的数据处理技术，可以对这些参数进行精确的实时监测，通过数据分析预测电池的健康状况，及时发现潜在的安全隐患。

在多参数实时监测的基础上，建立有效的预警系统对于提早识别和预防电池热失控至关重要。这一系统利用机器学习和人工智能技术，根据实时收集的电池参数数据，通过算法模型进行深入分析，实现对电池热失控的预测。这些算法可以识别出电池参数的微小变化，甚至在电池表现出明显异常行为之前，就能够预测出潜在的风险。

例如，系统可以整合温度、电压、电流和内阻等数据，通过历史数据训练得到的预测模型来评估电池的热失控风险，一旦检测到潜在的热失控风险，系统将自动启动预警机制，向驾驶员或维护人员发出警报，并可以根据情况采取相应的措施，如降低电池充电速率、调整温度管理策略或者在必要时进行电池组的隔离和停机处理。智能预警系统可以最大程度地减少热失控带来的风险，还能有效延长电池的使用寿命，提高车辆的运行安全性。

3.2 气体分析与早期预测

由于内部化学反应的复杂性和外界环境的影响，新能源汽车动力电池组会出现热失控现象，这种情况一旦发生，会迅速影响电池组的整体安全。因此，气体分析与早期预测作为一种有效的检测手段，对于防止热失控具有重要意义。

在电池热失控的初期，电池内部会发生一系列复杂的化学反应，这些反应会产生特定的气体，如氢气（H₂）、二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）等，研究人员通过对这些气体的种类和浓度进行监测，可以有效地识别和预测电池组是否存在热失控的风险，实现这一目标的技术手段包括安装高灵敏度的气体传感器在电池模组或包内部，这些传感器能够在电池发生异常反应产生微量气体时迅速检测并反馈信息。例如，氢气是在电池过热时由于电解液分解较早释放的气体，对其浓度的实时监测可以作为热失控的早期预警信号。

仅仅监测气体的存在并不足以提供所有必要的安全保障，研究人员必须通过智能化的数据处理技术来解析这些数据，使用数据分析和机器学习算法，构建模型来预测电池的热失控行为，这些预测模型通过分析历史气体分析数据与电池热失控事件的相关性，训练出能够预测未来热失控可能性的算法。如此一来，系统不仅能在电池开始释放危险气体时发出警报，还能在电池热失控发生前的早期阶段就给出预警，从而允许采取措施避免事故的发生。这种预测能力极大提高了电池管理系统的前瞻性和安全性。表1展示不同气体及其与电池热失控相关性的表格，包括气体类型、可能释放的原因及其作为预警信号的有效性评估。

通过这种详细的气体监测和数据分析，结合智能预测技术，新能源汽车的动力电池组可以在热失控发生前得到有效的预警，从而显著提升车辆安全性，这种技术的进步为BMS提供了一个更为全面和高效的安全保障功能，确保了电动车在日趋严峻的安全要求面前能够稳妥运行。

4 新能源汽车动力电池组热管理策略

4.1 分层次主动热管理策略

新能源汽车动力电池的安全与效率很大程度上依赖于其热管理系统的效能，在电池管理中，分层次主动热管理策略是一种先进的方法，旨在通过多级控制手段有效控制电池组的温度，确保电池在最佳工作温度范围内运行，从而提高其性能、延长使用寿命并降低安全风险。表2所示为管理策略的具体应用和效果。

电池组由多个电池模块组成，每个模块的热特性可能因为位置、使用条件等多种因素而异。模块级主动热管理通过在每个电池模块上安装独立的温控设备（如风扇、热管、电加热器或液冷装置）来实现精确控制，这种控制策略基于模块内部的温度传感器数据进行实时调整，确保每个模块都能在其最佳温度范围内工作。例如，如果某个模块的温度超过设定的阈值，系统会自动启动冷却措施，如增加冷却液流量或启动风扇，以快速将温度调整到安全范围。

在系统级别，主动热管理策略涉及整个电池组的热状态监控与调控，其不仅包括对所有模块热状态的集中监测，还包括对外部热管理设施的控制，如空调系统的集成或车辆内部的热交换器。系统级热管理策略通过算法优化，根据电池的充放电状态、车辆的运行环境和预测的使用模式来调整热管理系统的工作，这样的策略能够优化能耗，提升电池的整体性能和安全性，同时减少维护需求，延长电池的使用寿命。

分层次的主动热管理策略可以更加有效地应对各种温度挑战，确保在各种环境条件下都能保持最佳的性能表现，这种策略的实施也有助于实现对电池状态更细致和个性化的管理，从而在保障电池安全的同时，也极大地提升了电池的经济性和实用性。

4.2 基于模型预测控制的精细化热管理

基于模型预测控制（Model Predictive Control， MPC）的精细化热管理策略是一种先进的控制策略，利用实时的数据和预测模型来优化电池组的温度控制，精细化热管理的第一步是建立一个反映电池组热行为的精确动力学模型，该模型考虑到电池在充放电过程中的热生成、环境温度变化、热损失以及冷却系统的影响，研究人员通过对电池内部热源和热传递机制的深入理解，可以建立如下的热平衡方程：

式中，C为电池的热容；T为电池温度；Q为因电池放电产生的热量；Q为电池到环境的热损失；而Q为冷却系统去除的热量。这一模型需要根据实际电池和使用环境的特性进行定制和校准。

在建立了精确的热动力学模型基础上，研究人员需须应用模型预测控制策略来优化热管理系统的响应，MPC基于当前电池温度、预测的未来使用条件（如充放电周期、环境温度变化等）以及热模型，预测未来一段时间内的电池温度变化。然后，它计算出最优的冷却策略来最小化温度偏差、节能并延长电池寿命。控制目标可以表示为以下优化问题：

式中，T为设定的目标温度；u为控制输入（如冷却流量或风扇速度）；T为在时间t的电池温度；λ和λ为权衡温度控制与能量消耗的调节参数。通过解决这个优化问题，MPC能够连续调整冷却系统的输出，以适应电池的实时需求和外部环境变化。

基于模型预测控制的精细化热管理策略提高了电池组的热效率，也通过精确控制电池的工作温度，显著提升了电池的安全性和经济性，该策略的实施有助于实现更为智能的电池管理系统，能够预测并应对复杂的使用场景，使新能源汽车的动力电池组在各种操作条件下都能维持在最佳状态。

5 结语

新能源汽车动力电池组的热失控检测与热管理策略是确保新能源汽车高效安全运行的关键技术。通过建立多参数实时监测与预警、气体分析与早期预测等热失控检测路径，研究人员可以及时全面掌握电池组热态势变化，预判热失控风险。基于此，采取分层次主动热管理、基于模型预测控制的精细化热管理等策略，不仅可以防患于未然避免热失控风险，而且使电池组工作在最佳温度范围，充分发挥性能潜力、延长使用寿命。

这一系列先进技术的创新与应用，为新能源汽车电池热管理系统的优化提供了坚实的理论基础和技术支撑，对推动新能源汽车产业实现高质量发展，促进能源转型和可持续交通发展具有重要意义，研究人员需要持续加强对动力电池组热管理领域的研究，不断推陈出新，为新能源汽车的绿色出行贡献更多创新力量。

参考文献：

[1]曾祥兵，谢堃，张伟，等.新型动力电池热管理系统设计及性能研究[J].汽车工程，2022，44（4）：476-481.

[2]孙卫鹏，金礼芬，羊松青.新能源汽车大功率充电对电池热管理系统的影响[J].汽车与新动力，2024，7（4）：28-31.

[3]范晨晖，尹可人.新能源汽车动力电池热管理系统设计研究[J].汽车测试报告，2024（9）：44-46.

[4]徐文文，王彬.新能源汽车电池热管理控制系统设计及实现分析[J].时代汽车，2024（12）：122-124.

作者简介：

周鑫，男，1986年生，讲师，研究方向为汽车技术。