純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統研究

柴業鵬 孔 為 趙國華 朱廣燕 展 標 張靜雅 李 文

（1.奇瑞商用車（安徽）有限公司新能源研究院，蕪湖 241000；2.江蘇科技大學 能源與動力學院，鎮江 212100；3.合肥國軒高科動力能源有限公司產品工程院，合肥 230601）

由于新能源電動汽車的補貼與推廣作為國家大力支持的一項綠色節能政策，新能源汽車得到了迅速發展與推廣。2020年，我國的新能源乘用車銷量達到124.6萬輛，預計2021年將達到150萬輛。動力電池是整個電動汽車的核心部件，與電動汽車的性能和成本關系密切。與其他電池能源相比，鋰離子電池具有電壓高、質量輕以及無污染等優點[1]。目前，純電動汽車使用的動力類型以鋰電池為主，主要包含三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，而鋰電池的安全工作溫度主要為0～55 ℃。溫度對電池的影響直接影響到整車的性能表現和使用壽命。電池對溫度的要求比整車更加苛刻，因此需要增加合理的電池熱管理系統，以保證電池處于適宜的溫度范圍。近些年，夏季超過40 ℃的高溫天氣越來越多，冬季也容易出現低溫天氣，車輛的行駛工況也越來越復雜，容易導致動力電池電芯溫度過高或過低，影響電池的充放電性能。有效控制溫度和溫差能顯著提升動力電池的安全性和可靠性。

1 純電動汽車動力電池熱管理系統

1.1 純電動汽車動力電池熱管理系統結構

純電動汽車動力電池熱管理系統根據結構形式的不同，主要分為自然散熱結構系統和液體冷卻結構系統[2]。目前，限于電池組成本、整車續航里程以及零部件系統可靠性等因素，國內大部分純電動汽車依然選用自然散熱結構系統。

1.2 純電動汽車動力電池熱管理系統控制方式

2 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統

2.1 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統散熱方案

動力電池系統的散熱能力通過以下方程建立[3]：

式中：Q為動力電池組總需求散熱量；Q1為動力電池包內部電芯發熱量；Q2為電池包箱體及隔熱層傳熱量；Q3為動力電池內銅排及電子器件的發熱量。

電池包箱體及隔熱層傳熱量Q2滿足[3]：

式中：K為箱體及保溫層的熱導率；δ為箱體及保溫層的厚度；S為箱體及保溫層的面積。依據電芯的實際能力，控制充放電電流，保持電芯的溫度不會上升到保護閾值。

2.2 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統加熱方案

在計算動力電池組加熱能力時，同樣需要建立熱平衡方程[3]：

式中：Q′為動力電池系統需要的加熱功率；為動力電池系統內部電芯需要的加熱功率，=∫cmdT，c為動力電池的定壓比熱容，m為動力電池的總質量，T為電池溫度；′為動力電池包的上下殼體及保溫層的散熱功率；為動力電池因泄露傳出動力電池系統的熱功率。實際計算時，可根據實際情況簡化計算，計算后預留一定的加熱功率，總功率正常不超過計算值的120%。

2.3 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統實例

2.3.1 電池散熱結構設計

新能源應用方面，德國作為老牌汽車工業大國在開發新能源汽車上技術一直走在世界前沿。為了不受制于人我國近十年間在新能源汽車領域投入了大量精力并取得了初步成果。市場上新能源汽車投放量不斷增高，國家也相繼推出了鼓勵和保護政策。未來新能源汽車在數量上只會有增無減，各國在技術上的競爭會越來越激烈。

動力電池系統高溫保護閾值為55 ℃。測試工況為電池起始溫度40 ℃，環境溫度40 ℃，1 C充電30 min+0.3 C放電40 min。設計要求是動力電池系統在完成以上工況后最高溫度不超過55 ℃。

2.3.2 電池包加熱系統的設計

通過計算，每個模組側面布置一片103 W的加熱膜，故28個模組加熱膜的總功率為2 884 W。

2.4 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統控制策略實例

2.4.1 充電電流控制

由BMS計算和采集的溫度和電壓確認最大充電電流。快充過程中，當溫度達到45 ℃時，控制最大充電電流為0.5 C。當溫度達到48 ℃時，控制最大充電電流為0.33 C。當溫度達到50 ℃時，控制最大充電電流為0.2 C[4]。

2.4.2 加熱膜控制

由BMS根據電池最低溫度判斷進行控制。當低溫下進行快充時，BMS檢測到電池最低溫度T′≤5 ℃時，加熱膜通電對電池進行加熱，請求電壓為加熱膜額定電壓，電流為加熱膜額定電流。當電池最低溫度升至10 ℃時，停止加熱[5]。

3 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統仿真

3.1 仿真模型建立

根據動力電池系統內部結構建立三維仿真模型，依據結構及初步分析，選取圖1中18個可表征電池系統溫度分布的采樣點用于溫度場的評估。

圖1 仿真分析選取的溫度采樣點分布示意圖

3.2 高溫充放電工況

動力電池系統仿真的主要邊界條件及工況：環境溫度40 ℃；動力電池系統起始溫度40 ℃；1 C充電30 min+0.3 C放電40 min。

如圖2和圖3所示，仿真數據顯示此系統1 C充電30 min后，電池采樣點18溫度最高，為52.8 ℃，采樣點1溫度最低，為51.7 ℃。1 C充電30 min+0.3 C放電40 min工況結束后，電池采樣點18溫度最高，為54.7 ℃，采樣點1溫度最低，為52.4 ℃。

圖2 高溫充電電池模組溫度分布圖

圖3 高溫充電電池模組監測點溫度變化云圖

3.3 低溫加熱工況

動力電池系統仿真的主要邊界條件及工況：外界環境溫度-30 ℃；電池包系統起始溫度-30 ℃；電池仿真工況為低溫加熱90 min。

如圖4和圖5所示，仿真數據顯示此系統低溫加熱工況結束后，電池采樣點18溫度最高，為14.4 ℃，采樣點1溫度最低，為5.3 ℃。

4 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統實驗測試

4.1 測試條件

電池包內共28個模組，每個模組上部在中部布置一個溫度監測點。模組具體的溫度監測點與仿真示意的模組中部的采樣點位置一致，共計28個溫度監測點。

4.1.1 散熱

環境溫度為40 ℃±2 ℃，電池起始溫度為40 ℃±2 ℃，測試設備為USB-CAN汽車診斷儀、12 V電源、動力電池以及充放電柜。試驗期間，通過充放電柜對動力電池系統進行充電和放電。在40 ℃±2 ℃的環境下，動力電池包以1 C進行充電，直到SoC=100%時，試驗結束。

圖4 低溫加熱電池模組溫度分布圖

圖5 低溫加熱電池模組監測點溫度變化圖

4.1.2 加熱

環境溫度為-30 ℃±2 ℃，電池起始溫度為-30 ℃±2 ℃，所需測試設備為USB-CAN汽車診斷儀、12 V電源、動力電池以及充放電柜。試驗期間，通過充放電柜對動力電池系統進行充電和放電。在-30 ℃±2 ℃的環境下，動力電池包開啟加熱膜進行加熱，加熱2 h后試驗結束。

4.2 電池溫度情況

如圖6所示，在高溫充電過程，快充30 min后，電池監測點最高溫度由40 ℃上升到50 ℃，最低溫度由38 ℃上升到46 ℃。在低溫加熱過程中，電池監測點最高溫度上升到23 ℃，最低溫度上升到10 ℃，其中加熱90 min后電池監測點最高溫度上升到14 ℃，最低溫度上升到4 ℃。試驗中，高溫40 ℃的1 C充電和低溫-30 ℃加熱的結果與仿真結果接近，證明此系統設計開發真實有效，滿足電池使用需求。

圖6 電池監測點溫度變化圖

5 結語

通過某款典型的純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統的仿真和實驗研究，確認該車型動力電池系統在高溫環境中可以控制電芯和模組處于正常工作的溫度區間。低溫下通過加熱膜加熱可以實現電池的快速升溫，并達到適宜的充電溫度。此車型屬于純電動汽車自然冷卻車型中的代表車型，能夠為以后此類車型的設計提供借鑒。