蔡誠(chéng) 王鹿軍

1.湖北工業(yè)大學(xué) 湖北省武漢市 430068 2.武漢力神動(dòng)力電池系統(tǒng)科技有限公司 湖北省武漢市 430200

1 引言

目前，各個(gè)國(guó)家都在高速發(fā)展新能源汽車，雖然面臨電池容量密度、安全特性等諸多問(wèn)題，但隨著石化能源的減少和空氣污染的嚴(yán)重化，我國(guó)提出了“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”的目標(biāo)，新能源汽車的發(fā)展將是大勢(shì)所趨，但需要漫長(zhǎng)的過(guò)程，絕非一蹴而就。對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車而言，整車的熱管理更多的是集中與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的熱管系統(tǒng)上，而新能源車上整車熱管理與傳統(tǒng)燃油汽車的熱管理概念有巨大的差異，一般電動(dòng)汽車的熱管理必須統(tǒng)籌規(guī)劃整車上的“冷”與“熱”，提高能源利用率，保證整車?yán)m(xù)航。冬季、夏季是電池系統(tǒng)運(yùn)行最為薄弱的時(shí)候，電芯的充放電功率會(huì)隨著溫度的變化而大大受到限制，因此，電動(dòng)汽車的熱管理成為了重點(diǎn)研究的對(duì)象。

2 電動(dòng)汽車電池PACK 熱管理系統(tǒng)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)，是保障電池運(yùn)行安全的決定性外在因素，也是提升電池系統(tǒng)壽命等性能指標(biāo)的關(guān)鍵所在。它直接關(guān)系到電池系統(tǒng)最終的成敗，可以一票否決設(shè)計(jì)成果。

電池PACK 熱管理系統(tǒng)具體包括水冷板、口琴管、硅膠導(dǎo)熱墊、冷卻液以及電池模組等部件，在整車運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電池系統(tǒng)的溫度進(jìn)行有效的控制。電池PACK 熱管理系統(tǒng)的功能主要有：第一、可以有效的避免電池組因熱失控而出現(xiàn)爆炸或失效的危險(xiǎn)；第二、在電池組處在溫度過(guò)高或過(guò)低的條件下，能夠起到非常好的的保溫效果，并且具有高效降溫和快速加熱的功能；第三、只要系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，就可以維持電池系統(tǒng)的溫度在合理的區(qū)間（電芯最佳溫度為15℃-35℃），并且可以有效的避免單體電池之間的動(dòng)力性能差異。

3 電池PACK 熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從熱設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看，關(guān)聯(lián)元素很多，如同在支點(diǎn)上找平衡。最終的目標(biāo)，技術(shù)實(shí)施的結(jié)果，就是保證系統(tǒng)內(nèi)所有化學(xué)電芯工作環(huán)境的“舒適性”、“均溫性”。做到這一點(diǎn)，眾多電芯的性能才能“齊頭并進(jìn)”，發(fā)揮出最好的作用。

采用熱管理技術(shù)對(duì)電池PACK 系統(tǒng)的溫度進(jìn)行管控，首先，必須了解電芯的最佳工作溫度區(qū)間范圍，然后再根據(jù)電芯的功率map 對(duì)水冷系統(tǒng)制定最優(yōu)的控制策略來(lái)使整車動(dòng)力性能最佳。電池系統(tǒng)的功率map 是指在不同溫度、不同SOC 條件下，電池系統(tǒng)具有不同的充放電能力。為了使電池系統(tǒng)在最佳工作溫度區(qū)間可以通過(guò)熱仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩種方法進(jìn)行探究。通過(guò)專業(yè)的軟件進(jìn)行模型仿真分析，可以將電池PACK 系統(tǒng)中每個(gè)電芯的溫度特性反映出來(lái)，然后再在結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)進(jìn)行整改。再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，可以精確的將電池系統(tǒng)的溫度特性顯示出來(lái)。

4 電池包熱管理水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有四點(diǎn)：（1）極端工況下，電池溫度穩(wěn)定在45℃以下，溫升小于10℃；（2）極端工況下，電芯間溫差控制在5℃以內(nèi)；（3）水冷系統(tǒng)流阻滿足整車要求；（4）各支路流量差小于10%。

4.1 電池系統(tǒng)傳熱模型

電池系統(tǒng)熱管理傳熱模型包含：硅膠導(dǎo)熱墊、口琴管、模組與水冷板。電池包冷卻系統(tǒng)采用口琴管方式，是由2 個(gè)大冷板和2個(gè)小冷板并聯(lián)組成（如圖1）。

圖1 水冷板示意圖

模組與水冷板之間的熱量傳輸是通過(guò)硅膠導(dǎo)熱墊來(lái)傳遞的，以模組為單位進(jìn)行離散，并與電芯單體產(chǎn)熱模型相關(guān)聯(lián)。電芯熱質(zhì)量塊模型計(jì)算的溫度發(fā)送給電芯單體模型，電芯單體計(jì)算的發(fā)熱功率發(fā)送給電芯熱質(zhì)量塊模型。另外傳熱模型還考慮冷卻液對(duì)流換熱，以及箱體與空氣的對(duì)流換熱。

鋰離子動(dòng)力電池在正常的充電或放電過(guò)程中，電芯內(nèi)將會(huì)都會(huì)發(fā)生許多的化學(xué)反應(yīng)，因此這個(gè)過(guò)程將會(huì)伴隨著大量的熱量的產(chǎn)生。在1985 年，Bernardi 等人根據(jù)對(duì)鋰離子電池的研究，提出了一項(xiàng)假設(shè)鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻，然后根據(jù)這個(gè)假設(shè)得出了電池發(fā)熱功率的計(jì)算公式，并且這個(gè)公式在目前階段被廣泛的運(yùn)用在鋰離子電池生熱的計(jì)算中，其表達(dá)式為：

鋰離子電池在正常的充電或者放電過(guò)程中，將會(huì)伴隨著大量的熱量的產(chǎn)生，可以將混合的熱量忽略，因此Bernardi模型可以簡(jiǎn)化為：

李慧芳等人的研究結(jié)果顯示，在對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行充電或放電過(guò)程中，其中絕大部分的熱量來(lái)自可逆熱和不可逆熱，模擬計(jì)算的溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溫度的十分接近，都處在正常合理的范圍內(nèi)。因此鋰離子電池在正常充電或者放電條件下，計(jì)算鋰離子電池發(fā)熱功率可以直接采用簡(jiǎn)化的模型。

鋰離子電池組具有較差的散熱性，我們平時(shí)在對(duì)電芯進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)候只能獲取電芯表面的溫度，電池內(nèi)部的溫度狀態(tài)（也稱熱狀態(tài)）無(wú)法真實(shí)的反饋出來(lái)。因此，需要借助高效的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，通過(guò)設(shè)計(jì)好的數(shù)學(xué)模型不僅能夠?qū)︿囯x子電池內(nèi)部熱場(chǎng)進(jìn)行有效計(jì)算，而且還可以對(duì)鋰離子電池內(nèi)部的溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，這是電池Pack 系統(tǒng)中熱管理設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于動(dòng)力電池Pack 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要想準(zhǔn)確的知道電池內(nèi)部溫度場(chǎng)情況，可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：其中生熱率可以通過(guò)專門的量熱計(jì)能夠獲取。

上式中，我們將電芯的溫度記為；將電芯的密度記為；將鋰離子電池比熱記為；將鋰離子電池在方向上的導(dǎo)熱率記為；將鋰離子電池在方向上的導(dǎo)熱率記為；將鋰離子電池在方向上的導(dǎo)熱率記為；將鋰離子電池在單位體積生熱速率記為。

4.2 電池包熱管理系統(tǒng)仿真

本節(jié)主要闡述電池PACK 系統(tǒng)熱管理流場(chǎng)仿真模型與溫度場(chǎng)仿真模型的搭建，對(duì)仿真模型進(jìn)行校核，對(duì)電池PACK 系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)效果進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并給出測(cè)試結(jié)果。

入口流量15L/min壓降結(jié)果（流場(chǎng)仿真），如圖2：入口流量15L/min、壓降21.7kpa。

圖2 入口流量15L/min、壓降21.7kpa

首先對(duì)電池包系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真-工況輸入，表1 為電池PACK 系統(tǒng)方案及測(cè)試條件。

表1 電池PACK系統(tǒng)方案及測(cè)試條件

然后對(duì)電池包PACK 系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真（溫度場(chǎng)仿真），仿真結(jié)果如下圖3。

圖3 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

工況輸入：

環(huán)境溫度：45℃

電芯初始溫度：45℃

電池包充電電流：1.1C

入口冷卻液流量：15L/min

入口冷卻液溫度：20℃

仿真輸出：

3200S 仿真結(jié)果：

電池包最高溫度：36.8℃

BMS 最大溫差：4.2℃

入口出口溫差：2.5℃

得出結(jié)論：

（1）15L/min 時(shí)，壓降為21.7Kpa，小于25Kpa，滿足整車流阻設(shè)計(jì)要求。（2）通過(guò)不斷的優(yōu)化，流量均勻性得到很大的提高，水冷系統(tǒng)無(wú)流動(dòng)死區(qū)，水冷系統(tǒng)滿足流量均勻性熱管理設(shè)計(jì)要求。（3）水冷板容積約4.30L、溫度場(chǎng)仿真結(jié)果滿足熱管理設(shè)計(jì)要求。

4.3 電池包熱管理系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試條件：對(duì)電池包系統(tǒng)進(jìn)行低溫-20℃加熱，電池包密封環(huán)境，溫箱溫度-20℃，冷卻液入口溫度30℃（實(shí)際平均溫度20℃），流量為15L/min。其中圖4 為最高溫度與最低溫度的曲線，圖5為電池包最大溫差的曲線。

圖4 電池包最高與最低溫度曲線

圖5 電池包最大溫差曲線

結(jié)論：a、電池包整體的最高溫度和最低溫度變化趨勢(shì)一致，從-20℃升溫至5℃，用時(shí)36min。滿足熱管理設(shè)計(jì)要求。

b、整個(gè)加熱過(guò)程最大溫差為5.4℃，滿足熱管理設(shè)計(jì)要求。

5 電池包系統(tǒng)熱管理控制策略設(shè)計(jì)

熱管理策略制定方法：根據(jù)電芯的功率map 特性，鋰電池在溫度為15℃-35℃時(shí)充放電的功率最高（即充放電能力最強(qiáng)），超過(guò)或低于這個(gè)區(qū)間功率會(huì)越來(lái)越低，直至無(wú)法充放電。因此，在整車運(yùn)行工況下，基于電芯的功率map 和電池包采樣點(diǎn)的電芯溫度來(lái)進(jìn)行合理的策略制定，對(duì)電池包采樣點(diǎn)電芯的溫度的判定，實(shí)現(xiàn)不同工況模式下水泵流量及水溫的控制，從而確保電芯溫度維持在指定溫度區(qū)間內(nèi)。

表2 為基于電芯的功率map 及電芯的溫度制定的電池系統(tǒng)熱管理控制策略。該策略包含三種模式：慢充模式、快充模式和放電模式；其中每種策略又包含2 中工作模式：加熱模式和壓縮機(jī)制冷模式；并且每種模式還包含四種運(yùn)行狀態(tài)：加熱模式開啟和加熱模式關(guān)閉，液冷模式開啟和液冷模式關(guān)閉。放電模式采用的是SOC 的狀態(tài)和電芯溫度確定加熱的開啟條件，采用電芯的溫度來(lái)確定關(guān)閉條件；慢充模式采用電芯的溫度確定加熱和冷卻的開啟和關(guān)閉條件；快充模式采用電芯的溫度確定加熱和冷卻的開啟和關(guān)閉條件。

表2 電池包熱管理控制策略

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)新能源汽車的大力發(fā)展，如何提高電池系統(tǒng)的各項(xiàng)使用性能已經(jīng)勢(shì)不可擋。目前階段我國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車技術(shù)的研究應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)集中在電池組的性能方面，而電池PACK熱管理系統(tǒng)再搭配合適的控制策略就可以大大提高電池組的性能，這對(duì)于提高整車的性能及其能源利用率具有重要的意義。本文采用了技術(shù)仿真模型（流場(chǎng)仿真與溫度仿真）與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)電池系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，制定合理的控制策略得出最優(yōu)的方案。