陸 春，胡 建，劉桂彬

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 電動(dòng)汽車低溫?zé)峁芾淼谋匾?/h2>

純電動(dòng)汽車的能量完全由電池包提供，混合動(dòng)力汽車由內(nèi)燃機(jī)和電池包共同驅(qū)動(dòng)，高壓蓄電池包為電機(jī)提供能量，因此電動(dòng)汽車的性能很大程度上取決于高壓蓄電池包的性能表現(xiàn)，而后者則受到外界環(huán)境溫度的直接影響[1]。溫度通過(guò)影響電池的充、放電過(guò)程來(lái)影響整車啟動(dòng)、加速和制動(dòng)能量回收的性能，影響整車的動(dòng)力性能、續(xù)駛里程和燃油經(jīng)濟(jì)性（混合動(dòng)力汽車）[2]。

電動(dòng)汽車上的各種動(dòng)力電池的適宜運(yùn)行溫度通常與整車的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度范圍有很大的差異，如鋰離子電池適宜的工作溫度范圍在25～45℃，而整車設(shè)計(jì)的運(yùn)行溫度范圍一般達(dá)到了-30～60℃[3]。幾乎所有的電池在低溫下都會(huì)由于電化學(xué)反應(yīng)速率降低和內(nèi)阻的增大而出現(xiàn)明顯的性能衰退。圖1 顯示了一種圓柱形鋰離子電池隨著溫度的降低而出現(xiàn)的容量和能量衰退情況，其中初始狀態(tài)SOC=100%。電動(dòng)汽車電池包的熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)是在電池包內(nèi)提供適宜的溫度范圍，盡量降低電池模塊之間和電池包之間的溫度梯度。

在低溫（0℃或者更低）下運(yùn)行的電動(dòng)車輛在設(shè)計(jì)電池包時(shí)必須考慮電池的預(yù)加熱以使電池能夠獲得可接受的能量與功率性能。

2 目前電池包加熱方式與優(yōu)缺點(diǎn)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以選擇空氣、流體，也可以選擇相變材料這樣的儲(chǔ)能物質(zhì)作為電池與外界進(jìn)行熱交換的介質(zhì)，一般需要設(shè)計(jì)專門的氣流通道和電池包的絕熱措施。熱管理系統(tǒng)按照電池箱內(nèi)部是否設(shè)計(jì)制冷或生熱裝置分為主動(dòng)及被動(dòng)熱管理系統(tǒng)，前者能夠更好地適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境條件[4]。

圖1 某2.7 Ah 圓柱形鋰離子電池在不同溫度下進(jìn)行0.3C 放電的能量和容量

為了評(píng)價(jià)蓄電池包的設(shè)計(jì)并且為熱管理提供解決方案，常用的分析原理包括傳熱與傳質(zhì)、流體流動(dòng)規(guī)律、有限元分析和傳熱與流體實(shí)驗(yàn)，并且可以結(jié)合紅外成像和電池量熱儀獲得電池單體和模塊的熱力學(xué)參數(shù)來(lái)支持電池包的熱管理設(shè)計(jì)與評(píng)估。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于溫度對(duì)電動(dòng)汽車的性能影響進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室目前已進(jìn)行研究或者使用的電池包預(yù)加熱方式主要包括：電池內(nèi)核加熱、利用電加熱器或者熱的流體對(duì)電池模組進(jìn)行加熱，主要通過(guò)有限元仿真的手段進(jìn)行。通過(guò)有限元分析的方法可以對(duì)典型的動(dòng)力電池在每一種加熱模式下的溫度變化的瞬態(tài)進(jìn)行仿真并且將不同加熱方法所需的能量進(jìn)行比較[5]。

仿真實(shí)驗(yàn)表明：利用內(nèi)核加熱可以達(dá)到最佳內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性，利用一定頻率（如60 Hz）的交流電通過(guò)電池極柱來(lái)對(duì)內(nèi)核進(jìn)行加熱是最快速并且寄生能耗最低的辦法，但是可能對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，因此這一方法的可行性需要進(jìn)一步探討；利用加熱元件在電池模塊外部進(jìn)行整體加熱導(dǎo)致的電池內(nèi)部溫度場(chǎng)一致性最差；利用加熱元件分別包圍在單體外部進(jìn)行加熱的效果介于兩者之間。

傳熱介質(zhì)的選擇對(duì)于電池包熱管理系統(tǒng)的性能和成本具有直接的影響?？諝饬鹘?jīng)電池模塊的表面從而與電池之間進(jìn)行熱交換，不需要專門設(shè)計(jì)的管路，但對(duì)于電池合理排布和電池間隙的要求較高；流體介質(zhì)通過(guò)在電池包表面專門設(shè)計(jì)的套管與電池進(jìn)行間接地?zé)崃拷粨Q，或者將電池浸沒(méi)在絕緣液體中直接進(jìn)行熱交換。利用空氣作為傳熱的介質(zhì)是最為簡(jiǎn)便的方法，但也會(huì)導(dǎo)致相比于液體介質(zhì)更低的熱交換速率和能量效率。需要指出的是，因?yàn)橐后w存在較大的粘性并且熱交換泵的功率有限，因此液體的流速通常會(huì)受到限制，因此實(shí)際上利用液體作為介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)交換的速率也只是空氣的1.5～4 倍，但整體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)難度和成本會(huì)有明顯的增加，因此在目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的電池包中絕大多數(shù)還是采用了利用空氣作為介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究電池箱底部加熱方式在溫度場(chǎng)均勻性、加熱速率、內(nèi)部空氣循環(huán)對(duì)改善溫度場(chǎng)均勻性的影響、加熱對(duì)電池性能改善的影響。

3 底部加熱試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖2 所示，電池箱底部加熱試驗(yàn)采用電池測(cè)試系統(tǒng)Belt BTS400100C1，該測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試電池組和單體電池的電壓、電流及溫度等參數(shù)。

圖2 底部加熱實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)框圖

BTS400100C1 測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 BTS400100C1 技術(shù)參數(shù)表

采用的加熱元件為PTC（正溫度系數(shù)熱敏電阻）材料，這種材料具有正的溫度系數(shù)，是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過(guò)一定的溫度時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高，試驗(yàn)中采用的PTC 熱敏電阻的功率為400 W，電源由外部提供，加熱過(guò)程中溫度穩(wěn)定在100℃左右。為了達(dá)到更好的溫度均勻性，加熱絲纏繞于鋁質(zhì)板材上，通過(guò)鋁板加熱量均勻地傳遞到電池底部，如圖3、圖4 所示。在電池箱內(nèi)部安裝3 個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行空氣的內(nèi)部循環(huán)，這樣可以加速電池模塊內(nèi)部的熱交換，提高溫度場(chǎng)的一致性。

圖3 加熱絲排布于鋁板上

圖4 加熱元件安裝在電池箱底部

進(jìn)行試驗(yàn)的某60 Ah 電池組由15 個(gè)錳酸鋰電池單體串聯(lián)而成，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的3 個(gè)模塊排列在電池包內(nèi)，電池包底部安裝好加熱裝置，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)電池完全密封置于溫箱內(nèi)。溫度測(cè)試、充放電和加熱元件的線纜通過(guò)通道與充電機(jī)等進(jìn)行連接。

如圖5 所示，進(jìn)行試驗(yàn)的3 個(gè)電池模塊內(nèi)部預(yù)選定9個(gè)單體先安裝好27個(gè)溫度傳感器，監(jiān)測(cè)電池頂、中、下三個(gè)部位的溫度，另外安裝測(cè)試溫箱溫度、加熱絲溫度的2 個(gè)傳感器，在-8℃、-10℃、-15℃和-20℃下進(jìn)行底部加熱實(shí)驗(yàn)。

圖5 檢測(cè)溫度變化的9 個(gè)單體電池排布示意圖

主要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)包括：

（1）-20℃、-15℃、-10℃、-8℃底部加熱試驗(yàn)；

（2）-20℃在有/無(wú)加熱條件下的放電對(duì)比試驗(yàn)；

（3）-10℃、-20℃攪風(fēng)加熱試驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)論

3.2.1 不同溫度下底部加熱的均勻性分析

-8℃和-10℃的加熱試驗(yàn)時(shí)間為2 h，結(jié)束后關(guān)閉加熱元件，使內(nèi)部溫度場(chǎng)局部積聚的熱量進(jìn)行30 min左右的均衡；-15℃和-20℃的加熱時(shí)間為2.5 h，均衡時(shí)間為30 min。

從表2 中可以看出，不同溫度下加熱的速率差值較小，溫升速率基本都在9℃/h 左右；隨著環(huán)境溫度的不斷升高，底部加熱結(jié)束之后各單體之間的最高與最低溫度之差不斷縮小，但單體內(nèi)的溫差變化很?。◤?.1℃降低到7.6℃）；均衡的30 min 左右的時(shí)間能夠降低單體內(nèi)部和單體之間的溫差，因此建議在加熱完成后車輛啟動(dòng)前預(yù)留30 min 左右的溫度均衡時(shí)間，對(duì)于改善電池箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的一致性有益。

表2 不同溫度下底部加熱的均勻性比較

3.2.2 不同溫度下底部加熱速率的分析

將加熱過(guò)程中9 個(gè)單體的上中下3 個(gè)傳感器的溫度值取平均后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到表3。

表3 底部加熱過(guò)程單體不同部位的速率分析

對(duì)電池組在不同溫度下進(jìn)行加熱的速率進(jìn)行分析可以看出，單體內(nèi)部在加熱過(guò)程中存在溫度梯度，底部傳感器溫升快于中部和頂部傳感器，這一溫差在7℃左右，會(huì)對(duì)電池充放電性能產(chǎn)生較大影響。表4 為不同溫度下底部加熱速率分析。

不同溫度下加熱的溫升速率非常接近，9℃/h 的溫升速率可以用于估計(jì)提前加熱需要的時(shí)間。

表4 不同溫度下底部加熱速率分析

3.2.3 -10℃在加熱過(guò)程中進(jìn)行內(nèi)部空氣循環(huán)對(duì)加熱均勻性的影響

在電池箱的內(nèi)部安裝了3 枚24 V 的風(fēng)扇，與加熱元件同時(shí)啟動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)加熱過(guò)程中內(nèi)部空氣的循環(huán)，對(duì)溫度場(chǎng)均勻性的對(duì)比如表5 所示。

通過(guò)加熱過(guò)程中攪風(fēng)來(lái)進(jìn)行內(nèi)部空氣的循環(huán)，各單體的平均溫度比沒(méi)有攪風(fēng)的高了0.2℃，說(shuō)明電池箱的密封性較好，內(nèi)部的空氣循環(huán)沒(méi)有造成熱量的散失；單體溫度的方差也小于沒(méi)有攪風(fēng)的情況，說(shuō)明單體溫度一致性得到提高。另一方面，單體內(nèi)部自身的均勻性也得到提高（見(jiàn)圖6），單體頂部-底部溫差在攪風(fēng)后平均降低了2.2℃。因此利用風(fēng)扇進(jìn)行內(nèi)部攪風(fēng)，無(wú)論是單體之間還是單體自身內(nèi)部的均勻性都得到了明顯的提高。

3.2.4 -20℃下有無(wú)底部預(yù)加熱對(duì)電池組放電端電壓的影響

電池組放電電流0.4C（24 A），放電結(jié)束條件為模塊電壓≤42 V 或者單體最低電壓≤2.8 V，對(duì)電池組電壓和單體電壓同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，防止單體過(guò)放電。圖7和圖8 是預(yù)加熱對(duì)電池組端電壓的影響比較。

表5 -10℃底部加熱攪風(fēng)對(duì)比試驗(yàn)-均勻性

圖6 -10℃有無(wú)攪風(fēng)對(duì)單體本身各部位之間的均勻性影響（正常-無(wú)攪風(fēng)）

圖7 -20℃無(wú)預(yù)加熱條件下0.4C 放電2 h 電壓-電流曲線

圖8 -20℃下加熱1 h 后放電電壓-電流曲線

在加熱1 h 后進(jìn)行0.4C 的放電，與未加熱的情況進(jìn)行比較可以看出，放電初期的電壓降為2.5 V，比未加熱時(shí)5.3 V 的壓降減小了2.8 V，有利于快速啟動(dòng)；電壓曲線較為平坦，整個(gè)放電過(guò)程電壓降低了4 V，低于未加熱時(shí)的5.4 V。放電電壓平臺(tái)為47 V 高于未加熱的45 V，因?yàn)槭嵌〞r(shí)間放電，因此放出的電池容量是一致的，電池組在加熱后的性能得到提升。

3.2.5 有無(wú)預(yù)加熱對(duì)放電過(guò)程中單體溫度變化的影響

表6 為有無(wú)加熱對(duì)單體放電溫升的影響。其中無(wú)加熱單體平均溫升為11.8℃，加熱后單體平均溫升為3.9℃。

從表6 可以看出，預(yù)加熱后，單體電池的溫升平均下降了7.9℃，一方面是因?yàn)轭A(yù)加熱之1 h 后單體的溫度已經(jīng)平均上升了9℃，單體進(jìn)一步溫升的空間有限；另一方面也說(shuō)明單體加熱之后再進(jìn)行放電，電能用于轉(zhuǎn)化為熱能的部分較少，電池的放電效率得到了提高。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）加熱速率相近，環(huán)境溫度影響單體電池之間溫度一致性，加熱后擱置有益。不同溫度下加熱的速率差值較小，溫升速率基本都在9℃/h 左右；隨著環(huán)境溫度的不斷升高，底部加熱結(jié)束之后各單體之間的最高與最低溫度之差不斷縮小；均衡的30 min 左右的時(shí)間能夠降低單體內(nèi)部和單體之間的溫差，因此建議在加熱完成后車輛啟動(dòng)前預(yù)留30 min 左右的溫度均衡時(shí)間，對(duì)于改善電池箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的一致性有益。

（2）單體內(nèi)部溫差穩(wěn)定，加熱速率相近。單體內(nèi)部在加熱過(guò)程中存在溫度梯度，底部傳感器溫升快于中部和頂部傳感器，這一溫差在7℃左右，會(huì)對(duì)電池充放電性能產(chǎn)生較大影響；不同溫度下加熱的溫升速率非常接近，9℃/h 的溫升速率可以用于估計(jì)提前加熱需要的時(shí)間。

（3）電池箱密封性好，攪風(fēng)有利于單體之間的溫度均衡。在-10℃下通過(guò)加熱過(guò)程中攪風(fēng)來(lái)進(jìn)行內(nèi)部空氣的循環(huán)，各單體的平均溫度比沒(méi)有攪風(fēng)的高了0.2℃，說(shuō)明電池箱的密封性較好，內(nèi)部的空氣循環(huán)沒(méi)有造成熱量的散失；單體溫度的方差也小于沒(méi)有攪風(fēng)的情況，說(shuō)明單體溫度一致性得到提高。另外，單體內(nèi)部自身的均勻性也得到提高，單體頂部-底部溫差在攪風(fēng)后平均降低了2.2℃。因此利用風(fēng)扇進(jìn)行內(nèi)部攪風(fēng)，無(wú)論是單體之間還是單體自身內(nèi)部的均勻性都得到了明顯的提高。

（4）預(yù)加熱能夠降低電池組放電壓降，提高放電電壓平臺(tái)。-20℃在加熱小時(shí)后進(jìn)行0.4C 的放電，放電初期的電壓降為2.5 V，比未加熱時(shí)5.3 V 的壓降減小了2.8 V，有利于車輛快速啟動(dòng)；電壓曲線較為平坦，整個(gè)放電過(guò)程電壓降低了4 V，低于未加熱時(shí)的5.4 V；放電電壓平臺(tái)為47 V 高于未加熱的45 V，電池組在加熱后的性能得到提升。

（5）預(yù)加熱后單體在放電過(guò)程中的溫升明顯下降，放電效率提高。預(yù)加熱后，單體電池的溫升平均下降了7.9℃，一方面是因?yàn)轭A(yù)加熱之1 h 后單體的溫度已經(jīng)平均上升了9℃，單體進(jìn)一步溫升的空間有限；另一方面也說(shuō)明單體加熱之后再進(jìn)行放電，電能用于轉(zhuǎn)化為熱能的部分較少，電池的放電效率得到了提高。

表6 有無(wú)加熱對(duì)單體放電溫升的影響