某插電混動車型電池熱管理系統(tǒng)測試分析研究

劉志平　林春松　陶思成

摘 要：由于在高溫環(huán)境下，新能源車動力電池充放電性能會受到一定程度的限制，因此電池熱管理系統(tǒng)的意義非常重要。本文針對某插電混動車型電池熱管理系統(tǒng)原理及其相關工作模式，通過對該插電混合動力車型不同工況的性能測試，分析研究其熱管理系統(tǒng)性能、控制策略等相關優(yōu)缺點。

關鍵詞：插電混動 電池熱管理系統(tǒng) 控制策略 測試分析

Research and Test Analysis of Battery Thermal Management System for a Plug-in Hybrid Vehicle

Liu Zhiping，Lin Chunsong，Tao Sicheng

Abstract：Due to the high temperature environment， the charging and discharging performance of the power battery of new energy vehicles will be limited to a certain extent， so the significance of the battery thermal management system is very important. In this paper， based on the principle of battery thermal management system of a plug-in hybrid vehicle and its related working mode， the performance of the plug-in hybrid vehicle under different working conditions was tested to analyze the advantages and disadvantages of its thermal management system performance， control strategy and other related advantages and disadvantages.

Key words：plug-in mixing， battery thermal management system， control strategy， test and analysis

1 引言

新能源和節(jié)能環(huán)保是未來幾十年發(fā)展的必要趨勢，國家對新能源汽車大力扶持推進，新能汽車已成為當今全球汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢。隨著新能源汽車技術和市場的不斷發(fā)展，動力電池作為新能源車的動力源，電池能量密度不斷提高，車輛續(xù)駛里程獲得也隨著不斷提高，基本可滿足中短途的外出用車需求。車輛動力電池性能直接影響整車動力性，充電要求更加快速便捷，充放電功率提升問題亟待解決。新能源車市場從一線及大中型城市向中小城市不同氣候地區(qū)延伸，需要滿足高溫、低溫以及一些較惡劣環(huán)境工況使用要求。對于用戶而言，汽車動力電池高低溫充放電受限問題，對車輛使用影響尤其明顯。因此，對新能源車輛動力電池熱管理系統(tǒng)提出了更高的要求。

本文針對一款某插電混動車型在不同工況下進行充放電試驗，測試其動力電池熱管理系統(tǒng)，研究分析其不同工作控制模式、冷卻方式、熱管理系統(tǒng)性能及其優(yōu)缺點等。

2 系統(tǒng)原理及其工作模式

如圖1所示，某車型電池熱管理系統(tǒng)原理圖，其動力電池系統(tǒng)有兩種冷卻模式。

模式一為常規(guī)冷卻方式，電池回路和電控回路形成單獨小回路，利用現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)對電池進行冷卻，電池冷卻回路將電池內(nèi)部的熱量通過板式換熱器與空調(diào)系統(tǒng)進行熱交換，空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)過冷媒相變將熱量通過冷凝器散熱到外界空氣中，此冷卻方式冷卻能力強，適合對電池冷卻有較大需求的情況。

模式二為低溫散熱器散熱模式，電池回路和電控回路串聯(lián)成大回路。此模式下空調(diào)系統(tǒng)不再給電池提供冷卻冷量，電池熱管理系統(tǒng)控制相關閥體動作，將電池冷卻回路與低溫散熱器串聯(lián)。此模式下，電池冷卻回路和車載充電器、電機控制器通過低溫散熱器與外界空氣進行熱交換對電池進行散熱。此工作模式適合于環(huán)境溫度較低，同時電池有一定散熱需求的情況。此外，當空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障無法響應電池冷卻需求時，也可以通過此模式維持電池一定的散熱能力。

3 測試項目方案分析

3.1 電池保溫能力

電池保溫能力直接影響到電池包冷卻能耗，冷卻性能。較好的保溫能力可降低高溫環(huán)境對電池熱傳導溫升，減少電池冷卻觸發(fā)頻次，減少冷卻能耗。通過對不同車型電池包高溫保溫性能測試，對比優(yōu)化保溫能力。

3.2 電池高速無冷卻電池溫升

通過分析無冷卻電池溫升數(shù)據(jù)，對比不同車型的電池內(nèi)阻水平以及自發(fā)熱情況，評估不同車型的電池冷卻能力。

3.3 不同工況下，電池冷卻性能以及冷卻控制策略

根據(jù)常規(guī)車輛使用工況，主要測試工況分別為：市區(qū)低速工況、高速工況、超車加速工況、交變工況、高溫充電工況。測試條件為高溫輻照環(huán)境，行車時車內(nèi)開空調(diào)。在這些工況試驗過程中，分析電池冷卻溫度控制情況、電池溫度變化情況。通過對測試數(shù)據(jù)的對比，分析其優(yōu)缺點，優(yōu)化設計系統(tǒng)性能，如車內(nèi)空調(diào)和電池冷卻冷量分配情況、冷卻耗電及能效等。

4 試驗測試結果分析

（1）兩車型高溫暴曬測試，高溫暴曬電池溫升速率基本相同，經(jīng)長時間高溫暴曬電池最高溫度可達到40～45℃?？紤]到電芯在高溫45℃貯存容量衰減率較35℃惡化較嚴重。因此，增加隔熱板，對電池包保溫能力進一步優(yōu)化，減少環(huán)境高溫對電池溫度影響。

（2）環(huán)境溫度較低同時電池有散熱需求時，會觸發(fā)低溫散熱器散熱模式。低溫環(huán)境下此模式比較差，散熱能力有限，增加硬件成本同時控制系統(tǒng)會變復雜。對電池冷卻進一步優(yōu)化，當電池有冷卻需求時，冷卻開啟約20mins即可達到冷卻效果。

當電池冷卻失效同時電池溫度達到設定溫度時，車輛進入低溫散熱器散熱模式，有效保證電池溫度在合理范圍，為高溫電池提供進一步保障。

（3）優(yōu)化后電池冷卻系統(tǒng)性能提升，可滿足大部分用車工況電池冷卻需求。如下表1高溫下各工況電池溫度分布表，城市低速工況、高速工況電池溫度都可穩(wěn)定在35℃左右。較惡劣工況下，如交變工況下，電池溫度最高溫度可達40℃，基本也可滿足冷卻需求。

電池冷卻響應快速，電池冷卻有需求時可以快速響應。同時乘員艙空調(diào)降溫平滑，空調(diào)出風口溫度可以快速下降到舒適溫度并最終穩(wěn)定在設定的較低溫度。電池冷卻開啟對乘員艙的降溫效果和降溫速率影響較小。

此外，綜合電芯高溫儲存和使用壽命情況以及冷卻能耗情況，某混動車型高溫小功率充電工況下電池也需要運行冷卻。經(jīng)優(yōu)化，充電過程中電池冷卻觸發(fā)頻次降低一半，有效降低充電冷卻能耗。優(yōu)化措施一：加強電池包隔熱，減少環(huán)境高溫對電池溫升影響。優(yōu)化措施二：將進入充電冷卻觸發(fā)溫度條件適當提高，減少冷卻觸發(fā)頻次和電量消耗。

電池在高溫情況下充放電能力降低，電池壽命也將受到明顯影響，需要降低電池輸出有效避免高溫電池繼續(xù)溫升，切換到低溫散熱器散熱模式后，如果繼續(xù)允許EV模式驅(qū)動，電機控制器、電機等零部件產(chǎn)熱量較大，冷卻回路冷卻液溫度可能高于電池溫度，無法達到給電池降溫的目的。

5 結語

車輛長時間處在高溫環(huán)境中，電池自身充放電性能受限，電池壽命也將受到明顯影響，需要有效避免電池高溫溫升加劇，本文通過對某車型動力電池不同工況下的測試研究分析，參考對比不同車型，進一步優(yōu)化其動力電池熱管理系統(tǒng)的性能，有效控制電池工作環(huán)境溫度、降低冷卻自身能耗，提升了車輛在不同工況時動力電池的充放電性能。

參考文獻：

[1]何小顫.混合動力汽車動力電池組的熱管理系統(tǒng)研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[2]張承寧，雷治國，董玉剛.電動汽車鋰離子電池低溫加熱方法研究，第32卷第9期2012年9月.

[3]陸春.電動汽車東西電池包熱管理研究[D].北京：北京理工大學機械與學院，2012.

[4]Yao Huang; Yong Tang; Wei Yuan;Challenges and recent progress in thermal management with heat pipes for lithium-ion power batteries in electric vehicles. [J]Science China Technological Sciences2021. PP 1-38.

[5]Jay R. Patel; Manish K. Rathod.Recent developments in the passive and hybrid thermal management techniques of lithium-ion batteries. [J]Journal of Power SourcesVolume 480，2020.

[6]郭凡，劉衛(wèi)芬，張佳佳.純電動商用車電池熱管理技術研究，汽車實用技術.2020，（06）第8-9頁.

[7]周毅鵬.純電動客車動力電池熱管理系統(tǒng)設計，客車技術與研究.2021，（01） 第16-18頁.

[8]胡紅霞.混動汽車的動力電池熱管理系統(tǒng)研究，內(nèi)燃機與配件.2020，（01）第228-229頁.

[9]秦詠梅，胡鴻飛，周定武.電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)主動均衡技術研究，時代汽車.2020，（08）第56-57頁.