48V動力電池系統(tǒng)風冷設計*

葛俊良，盧晨，黃武榮，黃祖朋，趙小羽

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48V動力電池系統(tǒng)風冷設計*

葛俊良，盧晨，黃武榮，黃祖朋，趙小羽

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007）

針對48V輕型混合動力汽車設計一種48V鋰離子電池包風冷系統(tǒng)，通過在常溫（25℃）和高溫（45℃）環(huán)境下循環(huán)運行實車采集的工況，模式實際道路情況并對比其溫升。結果表明風冷系統(tǒng)冷卻效果明顯，可以將動力電池系統(tǒng)溫度控制在正常的工作范圍內。同時從降溫能力、壽命、風扇噪音、成本等幾方面評估，該套風冷系統(tǒng)具有較高性價比。

48V鋰離子電池；風冷系統(tǒng)；溫升測試；壽命測試

引言

從新能源汽車開始興起，48V技術就被屢次提及，根本原因在于國家有強制標準：從2020年開始，新車的平均油耗需要控制在5.0升/100公里以內，這對于絕大多數傳統(tǒng)燃油車來說，是不可能實現的。唯一的辦法就是使用新能源動力來加強傳統(tǒng)動力系統(tǒng)，目前比較可行是應用在混合動力汽車上，用48V電氣系統(tǒng)+傳統(tǒng)12V電氣系統(tǒng)一起工作(微混)，在盡可能少的增加成本的前提下達到油耗標準[1]。

隨著鋰離子蓄電池技術的逐漸成熟，48V系統(tǒng)中的電池將由傳統(tǒng)車上12V所用的鉛酸蓄電池改為鋰離子電池，48V鋰電池的市場化應用已經是大勢所趨[2]。48V動力電池屬于高功率型電池，充放電倍率可以達到20~30C，因此動力電池系統(tǒng)的散熱至關重要。傳統(tǒng)冷卻方式有自然冷卻和液冷，自然冷卻靠導熱系數較低的空氣傳導，且自然對流較弱，因此其熱量散熱效率很低[3]。相對自然冷卻，液冷增加了冷卻管道、冷卻液、散熱片、換熱器、蒸發(fā)器、水泵等器件，散熱效果優(yōu)于前者，但是該冷卻方式需要增加大量器件，對48V電池來說成本太過高昂。針對以上冷卻方式，文章提出一種風冷系統(tǒng)，通過在電池包外部增加一臺風扇的方式，對48V電池包鋁殼進行散熱，從而將48V電池溫度控制在正常的工作范圍之內。通過輸入實車采集的工況進行模擬仿真，驗證其冷卻效果；同時從同時從壽命、風扇噪音、成本等幾方面評估為48V動力電池系統(tǒng)設計提供理論依據。

1 48V動力電池風冷系統(tǒng)簡介

以某款車為例，完整的48V動力電池系統(tǒng)由電池模組（一個1P13S模組）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池箱體、上蓋、電氣件、線束以及冷卻風扇組成[4]。其中，風扇布置于電池箱體外部，電池箱體設計時預留風扇安裝位置，風扇采用類似內嵌的方式嵌入電池箱體中。這樣既保證了整個48V電池系統(tǒng)的完整性，又顯得美觀。

2 48V動力電池風冷系統(tǒng)與自然冷卻系統(tǒng)對比

本次試驗中48V動力電池系統(tǒng)分別在常溫25℃和高溫 45℃環(huán)境溫度下進行溫升測試試驗，模擬工況采用實車采集的工況進行，如圖1所示。48V動力電池系統(tǒng)工作溫度范圍為-30℃~60℃，當對48V動力電池系統(tǒng)進行充放電時，溫度會隨之上升，當溫度達到上限閾值時（36℃）開啟風扇，通過風扇對48V電池包進行冷卻；當溫度降低到閾值以下時，關閉風扇。風扇由48V動力電池系統(tǒng)內部的電池管理系統(tǒng)（BMS）進行控制，依據采集的48V動力電池溫度，用PMW方式對風扇進行控制。采用CAN通訊方式，風扇的相關狀態(tài)以及48V動力電池溫度情況會通過CAN通訊上傳到CAN總線上，測試時可通過CAN工具進行讀取相關信息，實時監(jiān)控48V動力電池溫度以及進行相關控制[5]，連接方式如圖2所示。

圖1 實車工況

圖2 測試連接方式

2.1 常溫下（25℃）測試溫升對比試驗

48V動力電池系統(tǒng)為1個1P13S模組，設置2個溫度采樣點。風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)帶冷卻風扇，在48V動力電池系統(tǒng)溫度達到閾值時，開啟風扇；自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)無冷卻風扇。

（1）設定環(huán)境溫度25℃，48V動力電池系統(tǒng)溫度25℃，對帶風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)連續(xù)運行10個實車工況循環(huán)，全程記錄48V動力電池溫度系統(tǒng)以及實時可用功率。循環(huán)結束時，停止試驗，并對過程數據進行分析，結果如圖3所示，持續(xù)運行10個實車工況，過程中最高運行溫度43.4°C，小于限功率溫度點50℃。

圖3 25℃下帶風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)溫升情況

（2）設定環(huán)境溫度25℃，48V動力電池系統(tǒng)溫度25℃，對自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)連續(xù)運行10個實車工況循環(huán)，全程記錄48V動力電池系統(tǒng)溫度以及實時可用功率。循環(huán)結束時，停止試驗，并對過程數據進行分析，結果如圖4所示，持續(xù)運行10個實車工況，過程中最高運行溫度55°C，其中48%時間超出限功率溫度點50℃。

圖4 25℃下自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)溫升情況

通過常溫下（25℃）的溫升測試對比，與自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)相比，帶風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)過程中最高溫度低11.6℃，且全程無限功率運行情況；而自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)有48%時間處于限功率運行狀態(tài)。

2.2 高溫下（45℃）測試溫升對比試驗

（1）將48V動力電池系統(tǒng)放置在步入式恒溫箱內，溫度調至45℃，待48V動力電池溫度穩(wěn)定在45℃，將電池取出置于25℃環(huán)境下（以48V動力電池存放于副駕座椅底下為實例，在天熱溫度下乘客很大概率會開啟空調，故環(huán)境溫度設置為25℃）。由于起始溫度是 45℃，因此風冷系統(tǒng)開始是啟動狀態(tài)。連續(xù)運行10個實車工況循環(huán)，全程記錄48V動力電池溫度系統(tǒng)以及實時可用功率。循環(huán)結束時，停止試驗，并對過程數據進行分析，結果如圖5所示，持續(xù)運行10個實車工況循環(huán)，過程中最高運行溫度45.9°C，小于限功率溫度點50℃。

圖5 45℃下帶風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)溫升情況

（2）將48V動力電池系統(tǒng)（自然冷卻）放置在步入式恒溫箱內，溫度調至45℃，待48V動力電池溫度穩(wěn)定在45℃，將電池取出置于25℃環(huán)境下（以48V動力電池存放于副駕座椅底下為實例，在天熱溫度下乘客很大概率會開啟空調，故環(huán)境溫度設置為25℃）。連續(xù)運行10個實車工況循環(huán)，全程記錄48V動力電池溫度系統(tǒng)以及實時可用功率。循環(huán)結束時，停止試驗，并對過程數據進行分析，結果如圖6所示，持續(xù)運行10個實車工況循環(huán)，過程中最高運行溫度55°C，其中81%時間超出限功率溫度點50℃。

圖6 45℃下自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)溫升情況

通過高溫下（45℃）的溫升測試對比，與自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)相比，帶風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)過程中最高溫度低9.1℃，且全程無限功率運行情況；而自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)有81%時間處于限功率運行狀態(tài)。

基于以上對比試驗可得：

風冷方案：入風口溫度25°C，初始溫度25°C、 45°C，均能夠以最大功率持續(xù)運行。

自然冷卻：環(huán)境溫度25°C，基于當前限流策略，初始溫度為25°C，持續(xù)運行4個實車工況時，開始限制功率；初始溫度為45°C，運行NEDC工況，功率發(fā)揮持續(xù)受限制， 55°C時達到熱平衡。

2.3 暴曬后降溫能力對比情況

圖7 降溫速率對比

模擬在夏季暴曬后（電池初始溫度60°C)的情況下，對風冷系統(tǒng)與自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)進行降溫測試，帶風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)降溫時間較自然冷卻縮短50%。結果如圖7所示。

2.4 壽命評估

運行實車工況進行仿真，按照每天4.5個循環(huán)進行，按照表1中的輸入進行模擬評估。結果如圖8所示：風冷與自然冷卻均可以滿足10萬公里要求，風冷較自然冷卻壽命延長17%。

表1 壽命預測評估條件

2.5 風扇噪音對比測試

搭載實車測試，模擬最極端的條件，怠速關空調情況下進行風扇噪聲測試。通過對比測試數據，有無電池風扇噪聲，駕駛員耳旁聲壓級相差1.66dBA(315Hz~16000Hz)，且均在整車的目標線之內，測試數據與主觀感受均可接受，結果如圖9所示。

圖9 風扇噪音對比測試

3 結語

通過上述仿真測試以及實車試驗分析可得以下結論：（1）在運行實車采集的工況情況下，自然冷卻的48V動力電池系統(tǒng)在常溫下，有48%運行時間超出限功率溫度點；在高溫下，有81%運行時間超出限功率溫度點。帶風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)，不管是在常溫下還是高溫下，均處在限功率溫度點之下，全程能滿功率運行，風冷系統(tǒng)能有效地控制溫升。（2）從散熱的試驗對比可得，帶風冷系統(tǒng)的48V動力電池系統(tǒng)降溫時間較自然冷卻縮短50%。（3）壽命方面，風冷與自然冷卻均可以滿足10萬公里要求，風冷較自然冷卻壽命延長17%。（4）通過對比測試數據，有無電池風扇噪聲，駕駛員耳旁聲壓級僅相差1.66dBA (315Hz~16000Hz)，且均在整車的目標線之內。測試數據與主觀感受均可接受。（5）成本方面，該風扇成本低廉，市場售價在30~40元，且由48V動力電池系統(tǒng)的BMS進行控制，無需額外增加其他部件。

[1] 王震,哈迪,張威威.48V微混系統(tǒng)降低油耗策略分析[J].汽車技術,2017(2).

[2] 趙冬昶,王昊,禹如杰.48V汽車電氣系統(tǒng)怠速啟停技術應用趨勢分析[J].汽車工業(yè)研究,2015,30(10) : 41-47.

[3] 楊金相,張越,張浩.一種動力電池系統(tǒng)的液冷方案設計與溫升測試[J].設計研究,2018(6):125-127.

[4] 王芳,夏軍.電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術[M].北京:科學出版社,2017.

[5] 賈小龍.48V鋰電池管理系統(tǒng)的設計與實現[D].蘇州:蘇州大學, 2014.

Design of air cooling scheme for a 48V power battery system*

Ge Junliang, Lu Chen, Huang Wurong, Huang Zupeng, Zhao Xiaoyu

( SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )

For 48V light hybrid electric vehicle design a 48V lithium ion battery pack air cooling system, through the in room temperature (25℃) and high temperature (45℃) run a real car collection cycle in the environment condition, model the actual road conditions and compared its temperature rise. The results show that the cooling effect of the air cooling system is obvious and the temperature of the power battery system can be controlled within the normal operating range. At the same time from the electrical performance, life, fan noise, cost and other aspects of the evaluation, that the set of air cooling system has a high cost performance.

48V lithium battery; Air cooling system; Temperature rise test; Life test

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.001

U469.7

A

1671-7988(2019)10-03-04

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葛俊良（1990.06-），男，廣西桂林人，新能源電池工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，研究方向為新能源汽車動力電池及電池管理系統(tǒng)開發(fā)。

廣西科技計劃資助項目（桂科AC16380043）；柳州市科學研究與技術開發(fā)計劃資助項目（2016B020101）。