柴業(yè)鵬 孔 為 趙國華 朱廣燕 展 標 張靜雅 李 文

（1.奇瑞商用車（安徽）有限公司新能源研究院，蕪湖 241000；2.江蘇科技大學 能源與動力學院，鎮(zhèn)江 212100；3.合肥國軒高科動力能源有限公司產(chǎn)品工程院，合肥 230601）

由于新能源電動汽車的補貼與推廣作為國家大力支持的一項綠色節(jié)能政策，新能源汽車得到了迅速發(fā)展與推廣。2020年，我國的新能源乘用車銷量達到124.6萬輛，預計2021年將達到150萬輛。動力電池是整個電動汽車的核心部件，與電動汽車的性能和成本關(guān)系密切。與其他電池能源相比，鋰離子電池具有電壓高、質(zhì)量輕以及無污染等優(yōu)點[1]。目前，純電動汽車使用的動力類型以鋰電池為主，主要包含三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，而鋰電池的安全工作溫度主要為0～55 ℃。溫度對電池的影響直接影響到整車的性能表現(xiàn)和使用壽命。電池對溫度的要求比整車更加苛刻，因此需要增加合理的電池熱管理系統(tǒng)，以保證電池處于適宜的溫度范圍。近些年，夏季超過40 ℃的高溫天氣越來越多，冬季也容易出現(xiàn)低溫天氣，車輛的行駛工況也越來越復雜，容易導致動力電池電芯溫度過高或過低，影響電池的充放電性能。有效控制溫度和溫差能顯著提升動力電池的安全性和可靠性。

1 純電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)

1.1 純電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

純電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，主要分為自然散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和液體冷卻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[2]。目前，限于電池組成本、整車續(xù)航里程以及零部件系統(tǒng)可靠性等因素，國內(nèi)大部分純電動汽車依然選用自然散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

1.2 純電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)控制方式

2 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)

2.1 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)散熱方案

動力電池系統(tǒng)的散熱能力通過以下方程建立[3]：

式中：Q為動力電池組總需求散熱量；Q1為動力電池包內(nèi)部電芯發(fā)熱量；Q2為電池包箱體及隔熱層傳熱量；Q3為動力電池內(nèi)銅排及電子器件的發(fā)熱量。

電池包箱體及隔熱層傳熱量Q2滿足[3]：

式中：K為箱體及保溫層的熱導率；δ為箱體及保溫層的厚度；S為箱體及保溫層的面積。依據(jù)電芯的實際能力，控制充放電電流，保持電芯的溫度不會上升到保護閾值。

2.2 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)加熱方案

在計算動力電池組加熱能力時，同樣需要建立熱平衡方程[3]：

式中：Q′為動力電池系統(tǒng)需要的加熱功率；為動力電池系統(tǒng)內(nèi)部電芯需要的加熱功率，=∫cmdT，c為動力電池的定壓比熱容，m為動力電池的總質(zhì)量，T為電池溫度；′為動力電池包的上下殼體及保溫層的散熱功率；為動力電池因泄露傳出動力電池系統(tǒng)的熱功率。實際計算時，可根據(jù)實際情況簡化計算，計算后預留一定的加熱功率，總功率正常不超過計算值的120%。

2.3 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)實例

2.3.1 電池散熱結(jié)構(gòu)設計

新能源應用方面，德國作為老牌汽車工業(yè)大國在開發(fā)新能源汽車上技術(shù)一直走在世界前沿。為了不受制于人我國近十年間在新能源汽車領(lǐng)域投入了大量精力并取得了初步成果。市場上新能源汽車投放量不斷增高，國家也相繼推出了鼓勵和保護政策。未來新能源汽車在數(shù)量上只會有增無減，各國在技術(shù)上的競爭會越來越激烈。

動力電池系統(tǒng)高溫保護閾值為55 ℃。測試工況為電池起始溫度40 ℃，環(huán)境溫度40 ℃，1 C充電30 min+0.3 C放電40 min。設計要求是動力電池系統(tǒng)在完成以上工況后最高溫度不超過55 ℃。

2.3.2 電池包加熱系統(tǒng)的設計

通過計算，每個模組側(cè)面布置一片103 W的加熱膜，故28個模組加熱膜的總功率為2 884 W。

2.4 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)控制策略實例

2.4.1 充電電流控制

由BMS計算和采集的溫度和電壓確認最大充電電流。快充過程中，當溫度達到45 ℃時，控制最大充電電流為0.5 C。當溫度達到48 ℃時，控制最大充電電流為0.33 C。當溫度達到50 ℃時，控制最大充電電流為0.2 C[4]。

2.4.2 加熱膜控制

由BMS根據(jù)電池最低溫度判斷進行控制。當?shù)蜏叵逻M行快充時，BMS檢測到電池最低溫度T′≤5 ℃時，加熱膜通電對電池進行加熱，請求電壓為加熱膜額定電壓，電流為加熱膜額定電流。當電池最低溫度升至10 ℃時，停止加熱[5]。

3 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)仿真

3.1 仿真模型建立

根據(jù)動力電池系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立三維仿真模型，依據(jù)結(jié)構(gòu)及初步分析，選取圖1中18個可表征電池系統(tǒng)溫度分布的采樣點用于溫度場的評估。

圖1 仿真分析選取的溫度采樣點分布示意圖

3.2 高溫充放電工況

動力電池系統(tǒng)仿真的主要邊界條件及工況：環(huán)境溫度40 ℃；動力電池系統(tǒng)起始溫度40 ℃；1 C充電30 min+0.3 C放電40 min。

如圖2和圖3所示，仿真數(shù)據(jù)顯示此系統(tǒng)1 C充電30 min后，電池采樣點18溫度最高，為52.8 ℃，采樣點1溫度最低，為51.7 ℃。1 C充電30 min+0.3 C放電40 min工況結(jié)束后，電池采樣點18溫度最高，為54.7 ℃，采樣點1溫度最低，為52.4 ℃。

圖2 高溫充電電池模組溫度分布圖

圖3 高溫充電電池模組監(jiān)測點溫度變化云圖

3.3 低溫加熱工況

動力電池系統(tǒng)仿真的主要邊界條件及工況：外界環(huán)境溫度-30 ℃；電池包系統(tǒng)起始溫度-30 ℃；電池仿真工況為低溫加熱90 min。

如圖4和圖5所示，仿真數(shù)據(jù)顯示此系統(tǒng)低溫加熱工況結(jié)束后，電池采樣點18溫度最高，為14.4 ℃，采樣點1溫度最低，為5.3 ℃。

4 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)實驗測試

4.1 測試條件

電池包內(nèi)共28個模組，每個模組上部在中部布置一個溫度監(jiān)測點。模組具體的溫度監(jiān)測點與仿真示意的模組中部的采樣點位置一致，共計28個溫度監(jiān)測點。

4.1.1 散熱

環(huán)境溫度為40 ℃±2 ℃，電池起始溫度為40 ℃±2 ℃，測試設備為USB-CAN汽車診斷儀、12 V電源、動力電池以及充放電柜。試驗期間，通過充放電柜對動力電池系統(tǒng)進行充電和放電。在40 ℃±2 ℃的環(huán)境下，動力電池包以1 C進行充電，直到SoC=100%時，試驗結(jié)束。

圖4 低溫加熱電池模組溫度分布圖

圖5 低溫加熱電池模組監(jiān)測點溫度變化圖

4.1.2 加熱

環(huán)境溫度為-30 ℃±2 ℃，電池起始溫度為-30 ℃±2 ℃，所需測試設備為USB-CAN汽車診斷儀、12 V電源、動力電池以及充放電柜。試驗期間，通過充放電柜對動力電池系統(tǒng)進行充電和放電。在-30 ℃±2 ℃的環(huán)境下，動力電池包開啟加熱膜進行加熱，加熱2 h后試驗結(jié)束。

4.2 電池溫度情況

如圖6所示，在高溫充電過程，快充30 min后，電池監(jiān)測點最高溫度由40 ℃上升到50 ℃，最低溫度由38 ℃上升到46 ℃。在低溫加熱過程中，電池監(jiān)測點最高溫度上升到23 ℃，最低溫度上升到10 ℃，其中加熱90 min后電池監(jiān)測點最高溫度上升到14 ℃，最低溫度上升到4 ℃。試驗中，高溫40 ℃的1 C充電和低溫-30 ℃加熱的結(jié)果與仿真結(jié)果接近，證明此系統(tǒng)設計開發(fā)真實有效，滿足電池使用需求。

圖6 電池監(jiān)測點溫度變化圖

5 結(jié)語

通過某款典型的純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)的仿真和實驗研究，確認該車型動力電池系統(tǒng)在高溫環(huán)境中可以控制電芯和模組處于正常工作的溫度區(qū)間。低溫下通過加熱膜加熱可以實現(xiàn)電池的快速升溫，并達到適宜的充電溫度。此車型屬于純電動汽車自然冷卻車型中的代表車型，能夠為以后此類車型的設計提供借鑒。