蔣中洲 何超蘭 劉 聰

雙層布置結構動力電池低溫性能研究

蔣中洲 何超蘭 劉 聰

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545025）

文章以采用加熱膜加熱的雙層結構動力電池為研究對象，為驗證低溫環(huán)境下的其動力電池的熱管理性能，通過制定測試條件，并在實車上搭載開展測試，通過對動力電池包內部模組的各項數(shù)據(jù)采集，并對裝配載動力電池包內不同位置的模組溫度差異進行分析，以期獲得該類型電池包低溫狀態(tài)下的熱管理狀態(tài)以及相應優(yōu)化措施的目的。

雙層結構；動力電池；低溫性能

引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展以及國家“碳達峰、碳中和”的要求，新能源汽車的發(fā)展受到廣泛關注。動力電池作為新能源汽車的核心動力源，與整車的安全性、成本、使用壽命、續(xù)航里程等關鍵性能指標直接相關，成為各科技企業(yè)重點比拼的技術領域。近年來，鋰離子電池憑借體積小、容量大、能量密度高、工作電壓穩(wěn)定、壽命較長等優(yōu)勢，廣泛應用于純電動汽車中[1,2]。但由于鋰離子電池對溫度的敏感（電池的最佳工作溫度區(qū)間為20 ℃～35 ℃），當電池在低溫環(huán)境下工作時，其充電與放電性能將大幅衰減，直接影響到整車的充電速度、車輛動力性能以及續(xù)航里程。由于存在電池對溫度敏感這一特性，電池包內電芯的溫度差異對電池的使用壽命同樣起到關鍵作用。不同溫度下的電池充放電容量不同，充放電倍率同樣存在差異。在低溫環(huán)境下使用，溫度高的電池容量和倍率性能要優(yōu)于溫度低的電池，單個電池包在充放電過程中對每個電池的電流分配幾乎是均勻的。在充放電過程中，溫度較低的電池所承受的負荷要高于溫度高的電池，長期使用就會造成低溫區(qū)的電池衰減更快，根據(jù)木桶原理，整個電池包的容量決定于容量最低的電池，因此，長時間處于低溫區(qū)域的電池會造成整個電池系統(tǒng)壽命的異常衰減。此外，在電池包使用末期，容量衰減嚴重的電池內部發(fā)生微短路的可能性較高，微短路的累積會引發(fā)電池熱失控、進而影響車輛安全[3-6]。為提升冬季低溫環(huán)境下的動力電池性能，不但需控制電池溫度在適宜的范圍之內，而且需盡可能地減少電池之間溫度的差異，以保證動力電池充放電性能穩(wěn)定、平衡溫度差異，延長整個電池包的使用壽命，因此，合理的動力電池熱管理系統(tǒng)尤為重要。

目前動力電池的低溫加熱方式主要分為液熱、加熱膜加熱[7,8]。液熱方式結構復雜，對車體與動力電池布置結構空間要求較高，適用于車體底盤空間大、模組單層布置的動力電池。加熱膜布置結構簡單，適用于布置結構緊湊，特別是雙層電池模塊布置的動力電池系統(tǒng)。

本文對采用加熱膜加熱的雙層模組布置的動力電池包分析，通過實車搭載運行的測試方法，對動力電池包內部模組工作溫度采集記錄，并對不同位置的模組溫度差異進行分析，以期獲得該類型電池包低溫狀態(tài)下的熱管理狀態(tài)以及相應優(yōu)化措施的目的。

1 測試對象簡介

本文以某款純電動乘用車的動力電池包為研究對象，該電池包共包含32個模組，模組以雙層布置結構分布，下層18個模組，上層14個模組。該電池包冷卻方式為自然冷卻，加熱方式為加熱膜加熱，在充電過程中由充電樁提供能量進行加熱，在非充電狀態(tài)下，電池包消耗自身電量為加熱膜提供能量進行加熱。電池包內共有32片加熱膜，分別與32個模組一一對應，加熱膜粘貼于每一個模組底部，加熱膜之間通過加熱線束進行連接，由BDU內部的加熱繼電器的控制通斷，以此控制加熱膜加熱工作的開啟與停止，達到低溫環(huán)境下對動力電池模組加熱控制的目的。研究對象內部模組布置結構如圖1所示，上下層模組的安裝腳位非完全對齊，而是錯位排布，動力電池下箱體上開設有安裝螺紋孔，下層模組通過螺栓直接與箱體螺紋孔配合實現(xiàn)緊固連接，上層模組安裝于鋼質支架上，鋼質支架上開設有安裝螺紋孔，上層模組通過安裝螺栓與鋼質支架連接，鋼質支架再通過安裝螺栓與動力電池箱體連接緊固。

圖1 動力電池內部模組布置圖

1.1 測試條件

此次研究區(qū)別于以往針對動力電池開展熱仿真、環(huán)境艙低溫測試的場景，為獲取實車在低溫環(huán)境下工作時，動力電池內部真實的數(shù)據(jù)，制定如下測試條件：（1）測試環(huán)境選擇：某款電動車主銷區(qū)域中，冬季溫度最低的城市，測試過程中最低環(huán)境溫度-17 ℃，最高溫度-5 ℃；（2）行車區(qū)域選擇：參考某款純電動車實際運行工況，選擇試驗路況為高速公路與市郊公路的綜合路況；（3）測試準備：測試開始前車輛在低溫環(huán)境靜置至溫度平衡，通過工具讀取動力電池內部溫度，要求動力電池最低溫度為環(huán)境溫度±2 ℃，并且動力電池內部溫差≤2 ℃；（4）測試要求：測試過程車上用電器正常使用，電池管理系統(tǒng)按設定的低溫控制策略完成對電池模組加熱膜加熱功能啟動與停止的控制。測試速度要求高速公路工況平均速度不低于80 km?h-1，市郊路況平均速度不低于40 km?h-1。單次行駛消耗電量≥50%后，立即對車輛進行充電，要求充電樁功率≥70 kW，車輛儀表顯示充電電量大于50%時則停止充電，按前述要求繼續(xù)開展在高速公路與市郊公路之間的行車測試，按該測試工況進行多次循環(huán)，直至車輛的行駛里程達到1000 km或者車輛儀表上的動力電池包故障燈點亮，通過工具讀取故障類型為動力電池內部溫差達到電池管理系統(tǒng)設定的動力電池溫差保護閾值、導致動力電池發(fā)出溫差故障告警時停止測試。本次試驗設定溫差保護閾值為12 ℃。

1.2 測試數(shù)據(jù)采集與分析

首次試驗經過3次充放電循環(huán)，持續(xù)行駛里程為683 km，在第3次充電結束，開展第4次充放電循環(huán)時，在車輛行駛過程中，儀表動力電池故障燈點亮，讀取動力電池內部溫差數(shù)據(jù)，確認達到測試結束條件。

測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 首輪測試數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)可知，循環(huán)測試起始，動力電池按加熱策略進行加熱，車輛行駛過程中，電池包同時放電，電池自身同時產生熱量，在第一次行駛結束后，溫差已到達6 ℃，并且伴隨著車輛的持續(xù)使用，動力電池內部的溫差將呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。根據(jù)以上前三次循環(huán)溫度數(shù)據(jù)可知，在車輛停止行駛，電池包在充電階段，溫差趨于減小，溫差增大主要在動力電池放電階段、車輛行駛過程發(fā)生。且在第二、三次循環(huán)過程中，溫差的增加量有明顯的減緩趨勢。

通過工具讀取動力電池內部完整溫度數(shù)據(jù)，整理測試起始以及測試停止時、動力電池內部模組的溫度情況如圖，圖2為測試起始，車輛經過長時間靜置，動力電池溫度降低至與環(huán)境溫度差異在±2 ℃以內，并且動力電池內部模組的溫差最??；圖3為測試停止時動力電池內部模組的溫度示意圖，此時經過3輪充放電循環(huán)，在第4次放電、車輛行駛過程中，溫差達到觸發(fā)動力電池管理系統(tǒng)設定的保護參數(shù)：12 ℃。

圖2 測試起始動力電池模組溫度示意圖

圖3 測試停止動力電池模組溫度示意圖

根據(jù)對測試全過程各個位置模組溫度進行采集及分析：最高溫度出現(xiàn)在動力電池上層模組的中間位置，觸發(fā)溫差報警時，電池最高溫度為28 ℃；最低溫度出現(xiàn)在動力電池下層結構的兩側模組，最低溫度為16 ℃，通過對全過程數(shù)據(jù)的進一步分析可知，動力電池下層模組溫度普遍低于上層模組溫度。結合動力電池內部模組的排布結構、以及動力電池在車輛上的布置結構進行分析，推測出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為：

（1）電池包熱量的聚集作用。動力電池內部模組采用上下層布置結構，在低溫條件下，加熱膜對模組開始進行加熱，同時電池充放電過程中，由于電池本身存在內阻，自身同時發(fā)熱，電池溫度快速上升，下層模組產生的熱量向上層空間聚集。因此對比下層模組，上層模組能夠獲取的熱量更多，上層模組升溫更快。

（2）下層模組熱量散失較快。通過電池包結構可知：上層電池模組通過支架固定，支架再與電池箱體連接緊固，上層模組未與箱體直接接觸，下層模組直接固定于箱體上，與下箱體直接接觸，下層模組產生的熱量通過箱體傳導，熱量散失速率較上層模組快。另外，通過動力電池系統(tǒng)安裝于車體上的結構分析，車輛行駛過程中，動力電池上方緊貼車體，氣流主要從動力電池底部流動，使得動力電池下層模組熱量散失速率進一步加快。綜合以上兩點所述，在低溫條件下，下層模組受外界低溫環(huán)境影響，熱量散失較快，故造成該區(qū)域的電池溫度較低。

2 對策分析與實施

根據(jù)上述討論的，可能導致動力電池模組出現(xiàn)較大溫度差異的原因，主要為熱量傳導，因此此次對策制定，主要針對阻隔熱量傳導的方向開展。具體對策如下。

（1）下層模組熱量向上聚集，導致上層模組溫度比下層高，通過增加上層模組和下層模組間隙，并通過設置隔熱結構，減少熱量堆積和延緩熱量向上聚集的速率，對策示意圖如4所示。

圖4 上下層模組隔熱結構示意圖

（2）下層模組與電池箱體直接接觸，熱量散失速率較上層模組更快，通過延緩散熱速率的角度，對下箱體外部增設保溫結構，如圖5所示。

圖5 動力電池下箱體保溫結構示意圖

3 對策實施驗證

3.1 測試條件制定

測試條件參考本文“1.1”節(jié)，行駛里程與工況基本與本文“1.2”節(jié)保持一致。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

實施隔熱改善措施后，新一輪測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 第二輪測試數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)可知，通過在上下層模組之間設置隔熱結構、同時對下箱體增設保溫結構，對低溫環(huán)境下，采用加熱膜加熱的雙層模組結構電池包溫差起到一定程度的抑制擴大作用。但根據(jù)溫差變化的情況可知，每新增一次循環(huán)充放電，溫差擴大的趨勢越來越明顯。這是由于隔熱結構和保溫結構無法完全有效阻斷熱量，在低溫環(huán)境下，持續(xù)地按研究工況使用車輛，最終溫差會達到觸發(fā)動力電池管理系統(tǒng)設定的保護參數(shù)。

4 結論

本文以采用加熱膜加熱的雙層結構的動力電池包為研究對象，通過實車搭載測試獲取數(shù)據(jù)并對溫差數(shù)據(jù)進行分析，進而提出改善溫差問題的結構改進。研究表明：通過在上下層模組之間增加隔熱結構、同時對下箱體增加保溫層措施后，在低溫環(huán)境下，車輛在相同的行駛工況下，動力電池溫差從12 ℃降低到11 ℃，這說明該結構改進對電池包溫差起到一定的改善作用，但是在結構布局中，由于上下層模組之間增加隔熱結構，電池包高度增加，電池結構需重新開發(fā)，以保證結構的穩(wěn)定及可靠性。另外下箱體外部保溫層的使用增加了電池成本，同時根據(jù)溫差變化趨勢分析，隔熱結構和保溫結構主要起延緩溫差放大的效果，無法有效根絕溫差過大問題發(fā)生，隨著充放電次數(shù)的增加，電池包溫差值仍會達到溫差報警閾值，以上措施非最優(yōu)方案。

為進一步改善低溫環(huán)境下雙層模組動力電池的溫差問題，后續(xù)工作重點方向考慮從以下方面進行研究。

（1）加熱膜功率的選配。通過整車測試獲得的溫度數(shù)據(jù)可知，電池溫度較高的區(qū)域集中在上層模組的中間區(qū)域，溫度較低模組分布在電池包的兩側邊緣位置，故考慮通過降低高溫區(qū)域電池模組的加熱膜功率，提升低溫區(qū)域電池模組的加熱膜功率，在電池的熱量產生過程中，平衡外部加熱膜帶來的熱量。

（2）加熱策略調整。在現(xiàn)有的加熱策略中，增加對溫差的控制。例如，可設定電池加熱開啟或關閉的溫差閾值，當溫差達到設定的閾值時，加熱關閉；待溫度差異性減小至某一設定值時，可再次開啟加熱，此方法理論上可改善電池各個區(qū)域的溫度差異性，但具體效果仍需展開進一步實際驗證。

（3）改變下層模組安裝結構，避免與下箱體直接接觸。通過電池包結構可知，下層電池模組與下箱體為直接接觸式固定連接，在外部低溫環(huán)境下，熱量通過下箱體散失較快，下層模組的溫度降低速率較快，故可在下層模組安裝結構中，對箱體結構調整，做隔絕式設計改善，避免下層電池模組與下箱體的直接接觸，通過調整物理結構，以延緩熱量的傳遞。

以上主要考慮通過電池熱量產生的差異性分布改善、熱量累積的平衡、熱量傳遞的延緩三個方面進行研究，后續(xù)動力電池熱管理系統(tǒng)的開發(fā)，可在上述三個方面展開設計與研究。

[1] 王蕊. 電動汽車主導鋰離子電池市場需求[J]. 汽車觀察，2018(7): 80-82.

[2] 張紅妮，張雅麗，王虹霞. 電動汽車動力電池現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 汽車實用技術，2019(6): 16-17，44.

[3] 顧月茹，趙衛(wèi)民，蘇長虎，等. 鋰離子電池低溫性能改善研究進展[J]. 電化學，2018，24(5): 488-496.

[4] 梁欣. 電動汽車鋰離子電池低溫性能研究[J]. 農業(yè)裝備與車輛工程，2020，58(8): 118-121.

[5] 張蕾，楊洋，崔朝陽，等. 環(huán)境溫度對鋰離子電池放電性能的影響[J]. 電源學報，2018(12): 1927-1929.

[6] Panchal S, Khasow R, Dincer I, et al. Thermal design and simulation of mini-channel cold plate for water cooled large sized prismatic lithiumion battery[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 122: 80-90.

[7] 何倩，孫仁云，鄧美俊，等. 電動汽車動力電池熱管理技術分析[J]. 汽車零部件，2021(5): 1-7.

[8] 朱建功，孫澤昌，魏學哲，等. 車用鋰離子電池低溫特性與加熱方法研究進展[J]. 汽車工程，2019，41(5): 571-581，589.

Study on Cryogenic Property of Power Battery with Bilayer Structure

In order to verify the thermal management performance of its power battery under low temperature environment, the bilayer structure power battery heated by heating film is taken as the research object in this paper. By formulating test conditions and carrying out tests on real vehicles, the temperature difference of modules at different positions in the power battery pack is analyzed by collecting various data of modules inside the power battery pack, in order to obtain the thermal management state of this type of battery pack at low temperature and the purpose of corresponding optimization measures.

bilayer structure; power battery; cryogenic property

M91

A

1008-1151(2022)11-0057-04

2022-08-12

蔣中洲（1995－），男，東風柳州汽車有限公司助理工程師，研究方向為汽車制造業(yè)。