純電動車電池加熱影響因素的分析與試驗研究

肖軍

(威馬汽車科技集團有限公司，四川成都 610110)

0 引言

低溫或高溫環境下，純電動汽車電池性能均受到不同程度的限制，尤其低溫電池容量的嚴重衰減容易導致純電續航里程明顯下降[1-2]，低溫充電容易造成鋰離子電池的鋰離子來不及嵌入石墨負極而發生負極表面析出金屬鋰，嚴重的情況容易造成電池容量的永久性損失，因此鋰電池加熱成為提升低溫環境下電池性能、循環壽命和使用安全的必要措施[3-4]。

梁佳男等[5]采用微熱管陣列加熱鋰電池的方法研究了不同環境溫度下鋰離子電池充放電特性和不同加熱功率下對電池加熱所需時間的影響。徐智慧等[6]采用等效電路模型搭建了電池自加熱仿真模型，研究分析了脈沖電流幅值和脈沖電流頻率對電池加熱時間的影響，并通過實驗驗證了仿真模型的正確性。田葉新等[7]通過實驗研究分析了不同截止電壓變化梯度對鋰電池溫升的影響，結果表明放電截止電壓變化梯度為0.05 V可以得到最短的電池加熱時間。羅玉濤等[8]采用電加熱膜加熱浸沒于變壓器油中的鋰電池，研究分析了不同環境溫度和有無保溫層對電池加熱時間的影響，測試分析了有無油液循環對電池溫度均勻性的影響，試驗結果表明加熱至0 ℃以上的時間隨外界溫度的降低而增加。FAN等[9]采用基于COMSOL的多物理場軟件建模定量研究分析了電池處于-20 ℃環境溫度條件下，電池放電倍率、電池入口液體質量流量和電池入口水溫對電池加熱性能的影響，仿真結果表明電池入口液體質量流量的最佳值為0.065 kg/s，電池入口水溫的最佳合理值為45 ℃。

目前國內鋰電池加熱研究主要集中于鋰電池單體、模組、電池包以及加熱方法的仿真分析或者實驗測試，而針對整車級別的鋰電池加熱系統研究相對較少，尤其針對整車系統鋰電池加熱影響因素的定量研究分析報道較少。為此，本文作者通過整車試驗測試來研究分析純電動汽車鋰電池加熱的影響因素，為純電動汽車電池熱管理控制策略制定和優化提供參考。

1 純電動汽車電池加熱系統架構

文中試驗測試所涉及的純電動汽車電池加熱系統含有燃油加熱器、高壓加熱器、電子水泵、電子可控三通閥、電池包等零部件，如圖1所示。該電池加熱系統可以通過電子可控三通閥的切換實現采用燃油加熱器或者高壓加熱器加熱電池包水路循環回路中的冷卻液，從而達到加熱電池包的目的[10]。高壓加熱器是由高壓電池包直接或間接供電，只有在電池包具有足夠的剩余電量和電池包處于允許充放電的溫度區間條件下，高壓加熱器才可以被開啟工作，而燃油加熱器只需低壓電源供電，在電池處于極低溫度或者電池包電量極低條件下，仍然可以通過控制燃油加熱器來加熱電池包循環水路中的冷卻液，從而達到極低溫環境下加熱電池包的目的，因此搭載含燃油加熱器的電池加熱系統可以滿足全氣候純電動汽車的駕駛需求，低溫環境下也可以保證電池包處于合理的工作溫度區間，提升電池活性，延長電池使用壽命。該電池加熱系統的主要零部件規格參數見表1。

圖1 純電動汽車電池加熱系統

表1 電池加熱系統的主要零部件規格參數

2 試驗結果與分析

2.1 電池加熱時間影響因素的試驗與分析

低溫環境下純電動汽車電池加熱時間的快慢會影響純電動汽車的使用性能。電池加熱時間慢會導致電池長時間處于低溫條件，不利于電池內的電化學反應和電池的使用壽命，不能充分發揮電池的性能[11-12]，也導致車輛充電時間的延長，影響充電體驗，容易引起用戶抱怨；電池加熱時間快，則可以有效地提升純電動汽車的動力性能和充電速率。而電池加熱時間不僅受到電池加熱系統架構固有屬性的影響，還受到加熱目標溫度閾值、車輛行駛速度、電池入口水溫目標閾值等因素的影響。為此，需要研究不同因素如何影響電池加熱時間，為電池熱管理策略優化提供數據參考。

2.1.1 加熱源對電池加熱時間的影響分析

基于試驗測試的純電動汽車電池加熱系統架構，分析高壓加熱器和燃油加熱器對電池加熱時間的影響，試驗結果見表2，環境溫度為7～9 ℃，電池加熱目標閾值為15 ℃的工況，高壓加熱器的電池加熱時間比燃油加熱器縮短3 min，即前者的電池加熱時間比后者減少12%；環境溫度為-9～-10 ℃，電池加熱目標閾值為20 ℃的工況，高壓加熱器的電池加熱時間比燃油加熱器縮短18 min，即前者的電池加熱時間比后者減少17.6%。兩個不同的加熱源在基本相同的外部條件下，電池采用高壓加熱器比燃油加熱器更快地被加熱到目標溫度閾值，這主要是由于高壓加熱器的正溫度系數熱敏電阻響應速度比燃油加熱器燃油充分燃燒的響應速度要更快，在一定加熱時間內，高壓加熱器可以比燃油加熱器更迅速地提供足夠的加熱能量。

表2 不同的加熱源對電池加熱時間的影響

2.1.2 加熱目標溫度閾值對電池加熱時間的影響分析

試驗測試了兩個加熱源在基本一致的外部條件下，加熱目標溫度閾值對電池加熱時間的影響見表3。

表3 不同的加熱目標溫度閾值對電池加熱時間的影響

從表中可知，隨著加熱目標溫度閾值的增大，兩個加熱源的電池加熱時間均隨著增加。高壓加熱器為熱源的情況，環境溫度-9～-10 ℃，20 ℃加熱目標溫度閾值的電池加熱時間比15、5 ℃的電池加熱時間分別增加24.5、56 min，15 ℃加熱目標溫度閾值的電池加熱時間比5 ℃的電池加熱時間增加31.5 min。燃油加熱器為熱源的情況，20 ℃加熱目標溫度閾值的電池加熱時間比15 ℃的電池加熱時間增加15 min。這主要是由于在電池入口水溫不變的情況下，加熱目標溫度閾值越高，電池被加熱至越接近目標溫度閾值時，電池入口水溫與電池溫度之間的溫差越小，熱交換量也越小，導致隨著加熱目標溫度閾值的提高，單位溫升的電池加熱時間增加量有逐漸增大的趨勢。

2.1.3 行駛速度對電池加熱時間的影響分析

試驗測試了高壓加熱器為加熱源的情況下，行駛速度對電池加熱時間的影響見表4。從表中可知，隨著純電動汽車平均行駛速度的提高，電池加熱時間也逐漸減少。環境溫度7～9 ℃，平均行駛速度為91 km/h的電池加熱時間比47 km/h縮短8 min，即前者比后者的電池加熱時間快26.7%；環境溫度3～5 ℃，平均行駛速度為85 km/h的電池加熱時間比52 km/h縮短12 min，即前者比后者的電池加熱時間快24%。這主要是因為隨著純電動汽車平均行駛速度的增加，電池放電電流逐漸增大，電池發熱量也相應增多，導致純電動汽車更高平均行駛速度的電池加熱熱量相比更低平均行駛速度工況有更多的部分來自電池自發熱量。

表4 不同的行駛速度對電池加熱時間的影響

2.1.4 電池入口水溫目標閾值對電池加熱時間的影響分析

車輛靜態快充工況下試驗測試了高壓加熱器為加熱源的情況下，電池入口水溫目標閾值對電池加熱時間的影響見表5。

表5 不同電池入口水溫目標閾值對電池加熱時間的影響

試驗測試條件為兩組測試工況均采用同一個充電樁，試驗測試的車外溫度約為-3 ℃，且電池快充MAP一致，充電起始SOC區間位于6.6%～7.3%之間。從表5中可得，電池入口水溫目標值為45 ℃的電池加熱時間比30 ℃的減少5 min，即前者比后者縮短時間約10%。因為隨著電池入口水溫度目標值的增大，電池包換熱板的冷卻液溫度與電池包模組底板的溫差越大，增加熱交換量，一定程度上可以提升電池包的電池加熱速率，即縮短電池加熱時間。

2.2 電池加熱耗電量影響因素的試驗與分析

電池加熱耗電量的多與少顯著影響純電動汽車的續航里程，從而影響冬季用戶體驗。由于試驗測試的純電動汽車電池加熱系統架構含有燃油加熱器和高壓加熱器，而燃油加熱器為低壓電源供電，耗電量基本可以忽略不計，因此電池加熱耗電量試驗測試僅針對高壓加熱器。

對照組給予納洛酮治療，選擇鹽酸納洛酮注射液（國藥準字H20052370，成都天臺山制藥有限公司 ，規 格 2.0 mg∶2 mL，批 號 ：091201、120915、141015）2 mg加入0.9%NaCl注射液100 mL中靜滴，1次/d。觀察組給予納洛酮結合疏血通注射治療，納洛酮使用方法同對照組，同時選擇疏血通注射液（國藥準字Z20010100，牡丹江友搏藥業有限責任公司，規格 2 mL/支，批號：09111524、12032108、14101215）6 mL加入0.9%NaCl注射液100 mL中靜滴，1次/d。兩組都治療觀察28 d。

2.2.1 起始電芯平均溫度對電池加熱耗電量的影響分析

試驗分別測試了起始電芯平均溫度為6、10、18 ℃條件下對電池加熱耗電量的影響，如圖2所示，此3個工況的試驗測試條件是環境溫度均為8～9 ℃，高壓加熱器加熱電池的目標溫度閾值均為20 ℃，平均行駛速度為49～52 km/h。從圖2中可知，起始電芯平均溫度為10 ℃的耗電量比6 ℃的耗電量減少23.7%，起始電芯平均溫度為18 ℃的耗電量比10 ℃的耗電量減少82.8%。隨著起始電芯平均溫度的增大，高壓加熱器耗電量逐漸減小，且起始電芯平均溫度越接近加熱目標溫度閾值，單位溫升的高壓加熱器耗電量降低幅度隨著增加。

圖2 不同起始電芯平均溫度對電池加熱耗電量的影響

2.2.2 加熱目標溫度閾值對電池加熱耗電量的影響分析

試驗分別測試了加熱目標溫度閾值為5、15、20 ℃條件下對電池加熱耗電量的影響，如圖3所示，該試驗測試條件是環境溫度均為-9～-10 ℃，起始電芯平均溫度均為-9 ℃，平均行駛速度均為29 km/h。從圖3中可知，加熱目標溫度閾值為20 ℃的耗電量比15 ℃增加11.6%，加熱目標溫度閾值為15 ℃的耗電量比5 ℃增加106.4%。隨著電池的加熱目標溫度閾值提高，電池加熱耗電量隨著增大。

圖3 不同加熱目標溫度閾值對電池加熱耗電量的影響

2.2.3 電池入口水溫目標值對電池加熱耗電量的影響分析

圖4 不同電池入口水溫目標閾值對電池加熱耗電量的影響

3 結論

基于搭載含燃油加熱器的純電動汽車電池加熱系統進行整車試驗測試，研究分析了不同電池加熱因素對電池加熱時間和電池加熱耗電量的影響，試驗結果表明：

(1)在其他條件相同的情況下，高壓加熱器的電池加熱時間小于燃油加熱器，電池加熱時間隨著加熱目標溫度閾值提高而增加，隨著車輛行駛速度增大而減小，隨著電池入口水溫目標閾值增加而縮短。

(2)在其他條件相同的情況下，電池加熱耗電量隨著起始電芯平均溫度降低而變大，隨著加熱目標溫度閾值降低而變小，隨著電池入口水溫目標閾值增大而增加。

(3)電池加熱時間與電池加熱耗電量存在相互影響，因此需要選擇一個合適的平衡兩者的電池加熱目標溫度閾值，以達到最佳的電池加熱性能。