混合動(dòng)力新能源車發(fā)動(dòng)機(jī)加熱電池研究及驗(yàn)證

劉志平

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院電動(dòng)車技術(shù)開發(fā)中心，廣東 深圳 518118）

新能源和節(jié)能環(huán)保是趨勢(shì)，國(guó)家對(duì)新能源汽車大力扶持推進(jìn)，新能汽車已成為當(dāng)今汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。動(dòng)力電池作為新能源車的動(dòng)力源，其工作性能直接影響整車動(dòng)力性能。目前鐵電池、三元電池在新能源車中有著廣泛的應(yīng)用，某車型充放電試驗(yàn)證明，其充放電性能在低溫環(huán)境下比較差，如在-20℃時(shí)，用0.3C充放電，充放電容量約為常溫25℃時(shí)最大充放電容量的75%。因此，在低溫下，對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱，是提高該類電池低溫充放電性能的有效方法之一。文獻(xiàn)中提出采用高低頻交流電直接對(duì)電池電解液進(jìn)行加熱，這種方法雖然能夠很快達(dá)到加熱電池的效果，但對(duì)加熱電源及其設(shè)備要求高，設(shè)計(jì)搭載在車上難以實(shí)現(xiàn)。

本文針對(duì)混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)了一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液作為熱源給電池加熱的方案，并進(jìn)行了整車改裝車；在低溫環(huán)境中試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)加熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)效果進(jìn)行分析；整個(gè)加熱系統(tǒng)安全可靠，相對(duì)于其他單獨(dú)加熱源（如加熱器、熱阻絲、加熱膜、熱泵等）給電池加熱，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)回路中的高溫?zé)嵩?，?jié)能、成本低；在特定工況下，可以替代單獨(dú)的加熱器加熱。

1 不同溫度電池充放電性能

電池在不同溫度下，其充放電性能都不一樣，在高溫高寒中，電池性能下降，影響充放電量及瞬時(shí)充放電功率，從而影響整車的瞬時(shí)動(dòng)力性、可靠性及其最終續(xù)駛里程此外，電池長(zhǎng)期處在高溫高寒的環(huán)境中工作，會(huì)大大影響電池自身的壽命。

在低溫下，電池充放電能力大大降低，充電電流限制，充電時(shí)間變長(zhǎng)，嚴(yán)重影響電池自身的使用性能。

如表1，某型三元電池抽取兩個(gè)樣品電池包1#、2#，在不同溫度下對(duì)其進(jìn)行充放電測(cè)試：常溫25℃，兩個(gè)電池包平均充電容量35.1Ah，充電比率100%；低溫0℃，兩個(gè)電池包均充電容量下降到32.05Ah，充電比率91.3%；低溫-10℃，兩個(gè)電池包均充電容量下降到28.25Ah，充電比率80.5%；可見，在低溫-10℃下，電池充電比率下降了19.5%，影響電池自身的充放電量；不僅如此，溫度更低的時(shí)候，影響程度更大。所以電池加熱，目前對(duì)于新能源車在低溫環(huán)境下，具有重要意義。

表1 某三元電池在不同溫度下充放電數(shù)據(jù)表

2 發(fā)動(dòng)機(jī)加熱方案及其原理

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)通過控制調(diào)節(jié)閥、三通閥，在某工況需求狀態(tài)下，將發(fā)動(dòng)機(jī)模塊冷卻系統(tǒng)管路與電池包換熱模塊串聯(lián)，或保持各系統(tǒng)獨(dú)立。在電池低溫狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或行車，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)水溫達(dá)到某工作溫度時(shí)，整車控制調(diào)節(jié)閥，使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)管路與電池包換熱模塊串聯(lián)，同時(shí)控制三通閥切換，將發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器短路，水泵工作，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的高溫冷卻液直接流經(jīng)電池包換熱模塊，通過換熱器換熱，給電池加熱，如此循環(huán)，達(dá)到對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行加熱的目的，讓電池包內(nèi)電池單體快速升溫，電池充放電性能（充放電功率、容量）快速恢復(fù)到常溫狀態(tài)。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備步驟要求

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)電池加熱系統(tǒng)示意圖

圖2 改車測(cè)試驗(yàn)證圖

如圖2改車后實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證圖，將低電量的某車放置在-12℃低溫艙臺(tái)架上長(zhǎng)時(shí)間保溫，電池達(dá)到要求溫度-12℃時(shí)，開始按規(guī)定的車速工況行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度上升到一定溫度后，調(diào)節(jié)閥、三通閥轉(zhuǎn)動(dòng)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)高溫冷卻液流經(jīng)電池包換熱模塊，把電池加熱到一定溫度，進(jìn)入行車充電模式。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

如圖3車速-時(shí)間變化曲線圖，右縱坐標(biāo)棕色曲線為車速變化，橫坐標(biāo)為時(shí)間h，試驗(yàn)過程中，車在臺(tái)架上行駛，駕駛員模擬車輛在實(shí)際公路上以中高速工況行駛，車速基本維持在60～120km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1800～2200r/min之間。

圖3 車速-時(shí)間變化曲線

如圖4發(fā)動(dòng)機(jī)及電池回路水溫變化曲線圖，右縱坐標(biāo)橙色曲線為發(fā)動(dòng)機(jī)回路水溫變化值，水溫基本穩(wěn)定在80～85℃左右；左縱坐標(biāo)藍(lán)色曲線為電池回路水溫變化值，水溫不斷上升，最高達(dá)到39℃，滿足對(duì)電池的加熱需要。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)及電池回路水溫曲線

如圖5電池溫度變化曲線圖，縱坐標(biāo)為電池溫度變化值，兩條分別為電池單體最高最低溫度變化曲線，試驗(yàn)開始時(shí)，電池初始溫度為-12℃，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)車輛在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上行駛了2h，前1h電池溫升速率較小，后1h電池溫升速率較大，隨著加熱電池溫度不斷上升，電池溫度升至12℃，此時(shí)溫度下的電池充放性能基本可以滿足常態(tài)要求，全過程電池溫差1℃，很小。

以上數(shù)據(jù)表明，通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水作為熱源間接加熱電池，加熱效果明顯，電池溫度上升速率約0.2℃/min，能使電池充電功率最終進(jìn)入常溫狀態(tài)，保證其低溫環(huán)境下的充放電性能。

圖5 電池溫度變化曲線

4 發(fā)動(dòng)機(jī)加熱電池優(yōu)缺點(diǎn)

（1）充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的熱量，達(dá)到廢熱利用的目的。（2）在一定工況下，可以輔助代替單獨(dú)的電加熱器加熱電池，節(jié)省電能。（3）低溫充放電限功率，加熱后，使電池自身充放電性能恢復(fù)到常態(tài)。（4）長(zhǎng)期使用過程中，保證電池在整車使用時(shí)的安全性、可靠性，同時(shí)有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。但是，本設(shè)計(jì)方案以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液作為熱源加熱電池，加熱速率較單獨(dú)的PTC加熱??；車輛在低速（即發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速）行駛中，熱源熱量小，此時(shí)加熱電池效果不明顯，在很好的利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液熱量的同時(shí)，一定時(shí)間段，還需單獨(dú)的加熱器兼并加熱。

5 結(jié)語

車輛長(zhǎng)時(shí)間處在低溫天氣環(huán)境中，電池自身充放電性能受限，充放電功率小，充電時(shí)間長(zhǎng)，且充放電容量低，還影響車輛行駛的安全性及電池使用壽命。本文設(shè)計(jì)方案在搭載三元電池的混合動(dòng)力新能車上進(jìn)行改裝并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從上述發(fā)動(dòng)機(jī)加熱電池方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果研究分析，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液熱源加熱電池，一定工況下，不僅解決了混合動(dòng)力新能源車低溫下電池充放電性能差的問題，保證了電池的長(zhǎng)期使用壽命，而且還充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱，一定程度上達(dá)到了節(jié)能的效果。該方案設(shè)計(jì)合理，不僅僅限用于三元電池混合動(dòng)力新能車，是一種在低溫環(huán)境下利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液熱量給電池加熱的可行方案。