48 V混動汽車動力電池熱管理系統

黃武榮，李彬，葛俊良，黃祖朋，邵杰，沈陽

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著全球各個國家越來越嚴苛的油耗指標的發布，迫于難以突破的汽油機技術以及純電動汽車高成本的事實，48 V混合動力系統的低成本以及高節油性能得到各個整車廠及系統供應商的認同。48 V動力蓄電池總成作為48 V系統中提供啟停、驅動功能、能量回收的能源存儲裝置，其發展障礙是使用可靠性受溫度影響很大，高溫環境會限制電池電流及功率的輸出，直接影響48 V系統的正常使用。在高功率電池技術很難獲得突破性進展的前提下，如何最大限度地發揮電池的使用性能，減小使用過程中溫度所造成的影響顯得尤為重要。

1 電池熱管理系統設計

電池熱管理系統根據提供的能量來源不同可分為被動式和主動式兩種冷卻方式，其中被動式冷卻是只利用汽車行駛環境的方式進行電池冷卻；主動式冷卻則是利用組裝在電池系統內部或外部的風扇、蒸發器、冷凝器、液冷管等強制將電池內部的熱量帶走的方式對電池進行冷卻。目前使用較多的幾種主動式冷卻方式有風冷冷卻、水冷冷卻、空調制冷、熱電制冷等，幾種主動式冷卻方式的比較如表1所示。

根據表1的分析及對比，對某公司48 V混合動力汽車的動力蓄電池總成進行研究，決定對電池的熱管理系統采用主動式風冷冷卻方式。圖1所示為主動式風冷冷卻系統的設計原理，風扇將外部空氣引入電池內部加快電池內熱量的散發，風扇的運行(開啟、關閉及調速)由電池管理系統控制。

表1 幾種主動式冷卻方式的比較

圖1 風冷冷卻系統設計原理

風冷冷卻的結構如圖2所示，是在電池的側邊安裝一個離心式風扇(離心式風扇的基本參數如表2所示)，在電池的下殼體底面布置風道(散熱片及散熱槽)，風道入口的氣體為外部空氣，風道出口在電池的兩側，通過將外部空氣引入電池內部，強制將電池內部熱量帶走，通過電池管理系統的控制將電池控制在工作溫度范圍內。此冷卻系統的結構簡單、成本低廉。

圖2 風冷冷卻結構的電池箱體

表2 離心式風扇基本參數

2 電池熱管理控制策略

為保證48 V混合動力汽車48 V系統的正常運行，48 V動力蓄電池總成的工作溫度為-30～60 ℃，電池溫度過高會限制電池電流及功率的輸出，影響車輛48 V系統的正常運行，所以電池熱管理的主要作用在于快速降低電池溫度，保證電池溫度維持在可工作溫度范圍內。電池冷卻風扇的運行通過電池管理系統進行控制，其控制策略如圖3所示。

圖3 冷卻風扇的控制策略

當電池工作過程中溫度達到37 ℃時，觸發風扇的開啟條件，控制系統控制風扇開始工作。當電池工作過程中溫度回到34 ℃時，觸發風扇的開啟條件，控制系統控制風扇停止工作。同時風扇轉動產生的噪聲會直接影響NVH性能，車輛40 km/h以下的噪聲最為明顯，所以車輛低速時需要控制風扇的運行轉速。風扇的控制條件應該同時滿足表3中的條件1及條件2。

表3 冷卻風扇的控制條件

3 基于NEDC循環工況的熱管理效果分析

電池熱管理的效果以持續運行NEDC循環工況時的電池溫升作為指標。對裝有此48 V動力蓄電池總成的48 V混合動力汽車進行NEDC循環測試，測試48 V動力蓄電池總成工作電流如圖4所示。

以初始環境溫度分別為25、35、45 ℃，用圖4中的電池電流作為電池每個NEDC循環的工作電流，對電池做連續10個NEDC循環的試驗后，電池的溫升曲線如圖5所示。不難看出：各個不同環境溫度下電池運行10個NEDC循環均達到了溫度平衡，電池溫升在13 ℃以內，且在電池的工作溫度范圍內，有效保證了48 V系統的正常運行。

圖4 48 V混合動力汽車NEDC循環電池電流

圖5 電池不同條件的溫升曲線

4 結語

對于48 V混合動力汽車使用的48 V動力蓄電池總成，采用主動式風冷的熱管理技術可有效控制電池工作狀態時的溫升，電池溫升可控制在13 ℃以內，保證電池的溫度在工作溫度范圍內，保證了48 V混合動力汽車48 V系統的正常運行。