混合動(dòng)力汽車(chē)電池?zé)峁芾矸治雠c驗(yàn)證

胡 攀 陳東亞 李 建 吳小妮 張書(shū)恩 李連豹 韋 虹 李 軍 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司浙江寧波315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

在能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題的壓力下，節(jié)能與環(huán)保已成為社會(huì)的共識(shí)。而混動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)由于在節(jié)能減排方面優(yōu)勢(shì)明顯，已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。發(fā)展混動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵之一就是動(dòng)力電池，而大部分電池的電化學(xué)性能和循環(huán)壽命受溫度的影響顯著。

1 電池包熱管理技術(shù)運(yùn)用

如圖1所示的是不同溫度下電池包充放電次數(shù)與電容的關(guān)系，從圖中可看出在35℃時(shí)電池容量衰減較慢，900次循環(huán)后衰減約10%，而在55℃電池溫度下900次循環(huán)后衰減逼近20%，70℃下降到了逼近30%，所以要想提升電池的循環(huán)壽命必須要將電池包的工作溫度控制在較優(yōu)的水平。溫度過(guò)高或過(guò)低同時(shí)也不利于電池性能的發(fā)揮，從圖2在不同電池包溫度下電壓和SOC的變化圖中可以看出，電池包溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致電池?zé)o法放電或者放電深度較淺，而過(guò)高則會(huì)出現(xiàn)電池過(guò)熱，電池工作不穩(wěn)定對(duì)放電深度也會(huì)產(chǎn)生輕微的影響，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)燃燒、爆炸等安全問(wèn)題。

圖1 充放電次數(shù)與電容的變化圖

圖2 電壓和SOC的變化圖

從電池包的動(dòng)力性能和循環(huán)壽命出發(fā)，分析溫度導(dǎo)致的問(wèn)題主要有3個(gè)方面[1]：

1）電池在高溫環(huán)境中運(yùn)行時(shí)本身的熱量逸散不及時(shí)以及大電流放電熱量迅速堆積形成高溫，降低電池循環(huán)性能，甚至引起燃燒爆炸等安全問(wèn)題；

2）電池單體產(chǎn)熱不均，電池模塊間溫度分布不均衡，都會(huì)導(dǎo)致電池組整體壽命降低，影響整車(chē)的動(dòng)力性和壽命；

3）低溫環(huán)境電池冷啟動(dòng)效率、低電池放電深度和電動(dòng)車(chē)動(dòng)力性能不匹配，進(jìn)而制約電動(dòng)汽車(chē)在高寒地區(qū)以及冬季的應(yīng)用與發(fā)展。

由此，我們應(yīng)該針對(duì)以上3個(gè)方面，來(lái)控制電池包的溫度，開(kāi)發(fā)高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，目前市場(chǎng)上電池的熱管理主要形成以下幾種技術(shù)：

1.1 空冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

傳熱介質(zhì)對(duì)熱管理系統(tǒng)的性能和成本有很大的影響。采用空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接把空氣導(dǎo)入電池包內(nèi)使其穿過(guò)模塊以達(dá)到熱管理的目的，如圖3所示為空氣作為介質(zhì)對(duì)電池進(jìn)行冷卻或者加熱時(shí)的原理圖，從圖中可看出該系統(tǒng)簡(jiǎn)單，自然成本也低。但對(duì)于目前大規(guī)模使用的鋰離子聚合物電池而言，由于其導(dǎo)熱率低，熱傳導(dǎo)慢，僅用空氣冷卻無(wú)法滿(mǎn)足要求，并且風(fēng)冷對(duì)于電池組溫差的控制也不是很理想，所以對(duì)于目前熱管理而言更傾向于其他的熱管理技術(shù)。

1.2 液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

圖3 空氣冷卻或加熱原理

在高溫等復(fù)雜的條件下，動(dòng)力電池散熱有著更高的要求，采用液體作為冷卻介質(zhì)用于動(dòng)力電池散熱便成為可能。目前液冷系統(tǒng)主要分為主動(dòng)式的液體冷卻和被動(dòng)式的液體冷卻系統(tǒng)。如圖4所示為被動(dòng)液冷系統(tǒng)，被動(dòng)液冷系統(tǒng)中采用了液體與外界空氣進(jìn)行熱交換的方式將電池?zé)崃克统?，其循環(huán)內(nèi)的主要液體介質(zhì)為水、乙二醇的混合液體。圖5所示為主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，使用汽車(chē)自身的制冷裝置進(jìn)行冷卻，電池?zé)崃客ㄟ^(guò)冷卻液與制冷劑之間的換熱將電池?zé)崃克统鯷2]。

圖4 被動(dòng)液冷系統(tǒng)

圖5 主動(dòng)冷卻系統(tǒng)

對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)液冷系統(tǒng)的電池包加熱系統(tǒng)，一般采用電加熱器或結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)加熱，如圖6所示。通過(guò)換熱器使得高溫液體與電池循環(huán)側(cè)的低溫液體進(jìn)行換熱，從而加熱電池包。

當(dāng)然除了目前比較主流的風(fēng)冷與液冷之外，還有其他技術(shù)運(yùn)用于電池的熱管理，包括采用制冷系統(tǒng)直接冷卻，相變材料技術(shù)，隔熱技術(shù)等[3]。

2 電池包熱管理仿真計(jì)算

我們可以通過(guò)star-ccm++軟件在設(shè)計(jì)階段對(duì)混動(dòng)車(chē)型電池包的熱管理系統(tǒng)（液冷系統(tǒng)）進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算，主要目的是校核液冷系統(tǒng)的壓力和流量分布情況以及溫度分布水平。

2.1 液冷系統(tǒng)壓力分布和流量分配

根據(jù)液冷系統(tǒng)的壓力分布和流量分配情況校核計(jì)算設(shè)計(jì)偏差，用于流道的優(yōu)化以及電子水泵的選型，如圖6所示系統(tǒng)總壓降在液體溫度25℃情況下達(dá)18.4 kPa@8 L/min，而圖7所示流道1占總流量的20%，此結(jié)果再結(jié)合溫度場(chǎng)水平進(jìn)行流量的進(jìn)一步調(diào)配優(yōu)化。

2.2 電池模塊溫度場(chǎng)計(jì)算

在進(jìn)行電池包溫度場(chǎng)計(jì)算前期應(yīng)先選定電池包工作的惡劣工況，再根據(jù)該工況下的輸入情況進(jìn)行計(jì)算?；靹?dòng)汽車(chē)電池包溫度場(chǎng)計(jì)算的典型工況主要包含了EV勻高速工況、EV模式爬坡工況、EV模式急加減速工況等，在本文中主要選取急加減速工況進(jìn)行計(jì)算，圖8所示為在該工況下電芯的發(fā)熱量平均為31.4 W（計(jì)算取前5次循環(huán)），計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示，在急加減速工況下，電池組最高溫度37.3℃，最低溫度36.8℃，最大溫差在0.5℃，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，我們可以根據(jù)最高溫度點(diǎn)的分布位置，進(jìn)一步優(yōu)化冷卻效果。

圖9 急加減速工況下電芯發(fā)熱量

圖10 急加減速工況下電池包溫度云圖

3 電池包熱管理試驗(yàn)驗(yàn)證

電池包熱管理的驗(yàn)證主要包括高溫驗(yàn)證和低溫驗(yàn)證，高溫驗(yàn)證主要目的是為了驗(yàn)證電池包在高溫環(huán)境下各個(gè)惡劣工況下的溫度水平滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；而低溫驗(yàn)證主要為了驗(yàn)證電池包在低溫環(huán)境下的工作能力以及熱管理系統(tǒng)的加熱性能，因此本文主要從這2個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證[4]。

3.1 電池包高溫?zé)峁芾眚?yàn)證

根據(jù)前期對(duì)急加減速工況的仿真結(jié)果對(duì)該混動(dòng)車(chē)型電池包在該工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，從圖中可看出隨著加減速循環(huán)數(shù)的上升電池最高點(diǎn)溫度持續(xù)上升，在5個(gè)循環(huán)結(jié)束點(diǎn)處最高溫度達(dá)到了42℃（限值45℃），而電池包進(jìn)水溫度始終保持在＜25℃，所以電池最高溫度存在隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷上升直至超出最高限值的風(fēng)險(xiǎn)。由于液冷系統(tǒng)的進(jìn)水溫度滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，因此針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們首先需要從電池包本身的輸出功率策略出發(fā)，通過(guò)限制電池包持續(xù)輸出功率，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出來(lái)保證整車(chē)功率需求的同時(shí)降低電池本身的發(fā)熱量，從而達(dá)到優(yōu)化電池包熱管理的目的。

3.2 電池包低溫?zé)峁芾眚?yàn)證

圖11 急加減速工況下電池溫度-時(shí)間變化

關(guān)于電池包在低溫環(huán)境下的熱管理主要包含了2個(gè)方面：電池包本身的保溫性能和熱管理系統(tǒng)的加熱系統(tǒng)。圖12所示為電池包在-30℃環(huán)境艙下的保溫性能曲線(xiàn)（電池包初始溫度25℃），從圖中可看出電池包溫度由25℃降到-10℃需要180 min，滿(mǎn)足整車(chē)保溫需求。

圖12 電池包低溫保溫性能

混動(dòng)汽車(chē)（PHEV）電池包熱管理在低溫環(huán)境下的加熱性能主要從PTC加熱和發(fā)動(dòng)機(jī)加熱2方面驗(yàn)證，單純的PTC加熱在充電模式下驗(yàn)證，如圖13所示電池進(jìn)水溫度從-5℃上升到20℃時(shí)間為25 min，電池進(jìn)水溫度穩(wěn)定在20～25℃，電池本體最低溫度從-10℃上升到11.5℃時(shí)間為35 min。滿(mǎn)足電池加熱設(shè)計(jì)要求。圖14所示為混動(dòng)模式下電池包的加熱特性，從圖中可看出發(fā)動(dòng)機(jī)水溫處在較低水平，PTC工作出水溫度比發(fā)動(dòng)機(jī)水溫高，當(dāng)水溫達(dá)到一定水平時(shí)，PTC出水溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)水溫保持一致（即PTC停止工作），達(dá)到節(jié)能目的。從結(jié)果來(lái)看電池進(jìn)水溫度從-12℃上升到30℃時(shí)間為10 min，電池進(jìn)水溫度穩(wěn)定在35℃，電池本體最低溫度從-12℃上升到11.5℃時(shí)間為22 min滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖13 充電模式下電池包加熱特性

圖14 混動(dòng)模式下電池包的加熱特性

4 結(jié)論

本文從溫度對(duì)電池包壽命和性能的影響出發(fā)，描述電池?zé)峁芾淼闹匾?，并且介紹了目前主流的熱管理技術(shù)。

同時(shí)通過(guò)介紹混合動(dòng)力電池?zé)峁芾淼拈_(kāi)發(fā)驗(yàn)證內(nèi)容，主要從設(shè)計(jì)階段的仿真驗(yàn)證電池的溫度分布，確認(rèn)電池包在高溫環(huán)境下溫度的最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)位置，可由此確認(rèn)溫度傳感器的布置位置、溫度水平以及最大溫差是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；從實(shí)車(chē)驗(yàn)證中對(duì)電池包熱管理的高低溫性能進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)高溫性能滿(mǎn)足溫度要求，低溫性能滿(mǎn)足保溫以及加熱要求。