純電動貨車動力電池自然冷卻性能分析

林瑞平

摘 要：某款純電動貨車的動力電池冷卻方案采用自然冷卻的方式，基于整車典型的運行工況，通過熱仿真分析、臺架測試、整車路試等手段，對其自然冷卻性能進行分析，最終確認其采用自然冷卻的方式可以保證電池工作在正常使用溫度范圍內，電池單體最大溫差滿足技術要求，系統性能目標滿足整車要求。

關鍵詞：純電動貨車 動力電池 自然冷卻 工況

Analysis of Natural Cooling Performance of Power Battery for Pure Electric Trucks

Lin Ruiping

Abstract：The power battery cooling scheme of a pure electric truck adopts natural cooling. Based on the typical operating conditions of the vehicle， its natural cooling performance is analyzed through thermal simulation analysis， bench test， and vehicle road test. Finally， it is confirmed that the use of natural cooling can ensure that the battery works within the normal operating temperature range， the maximum temperature difference of the battery cell meets the technical requirements， and the system performance target meets the requirements of the entire vehicle.

Key words：pure electric truck， power battery， natural cooling， working condition

1 引言

隨著新能源汽車的日益普及，人們對新能源汽車續航里程不斷提出更高的要求。但因為受到整車空間的限制，增大電池體積的方案可操作性不強，于是增大動力電池的能量密度成為業內提高新能源汽車續航里程一直在使用并且有效的解決方案。動力電池能量密度提高，伴隨而來是電池發熱量大、溫度高的問題，這對電池的性能、壽命、安全性等方面都產生了不利的影響。

溫度高低對于鋰離子動力電池的整體性能，包括電池的容量、功率、充放電效率、安全性和壽命等都有著非常顯著的影響。當溫度超過一定范圍，溫度過高則會加快電池內部副反應的進行，這些副反應消耗鋰離子、溶劑以及電解液等，導致電池性能衰減。因此，如果長時間地工作在高溫環境下，動力電池的壽命就會明顯縮短，其性能也會大大降低，甚至引發安全事故。另外，電池箱體內部溫度場長時間的不均勻分布也會造成各電池模塊、單體性能的不均衡，尤其是分布在高溫區域的電池電化速率會明顯快于低溫部分，隨著時間的積累不同電池之間的物性差異將越加明顯，從而使得電池之間的一致性變差，甚至發生提前失效，縮短了整個動力電池系統的壽命[1]。

2 電池冷卻方式初選

冷卻系統是動力電池熱管理系統中最重要的組成部分。根據冷卻介質的不同，冷卻系統通常可分為空氣冷卻、液體冷卻和相變液冷三種冷卻方式，這三種冷卻方式的散熱能力是依次增強的。同時，冷卻系統的結構復雜度也依次增加。除了根據冷卻介質區分冷卻系統以外，冷卻系統也常常分為主動冷卻和被動冷卻兩種方式。通常被動冷卻系統直接將電池內部的熱空氣排出車體，而主動冷卻系統通常具有一個內循環系統，并且根據電池系統內部的溫度進行主動調節，以達到最大散熱能力[2]。

采用自然冷卻方式是典型的以空氣作為傳熱介質的被動散熱方案，即利用空氣的自然對流換熱，將電芯的熱量傳遞到周圍空氣中，從而在一定程度上降低電池單體的溫度。由于空氣的導熱系數較低，且自然對流的流動較弱，因此自然冷卻的散熱效率一般比較低。此外，當電池系統周圍不存在其他熱源時，溫差也可以控制在較小的范圍內。自然冷卻方式雖然冷卻效率較低，但具有結構簡單、零部件數量少、成本低、所占的空間較小等優點，是目前新能源物流車電池冷卻系統應用較多的散熱方式。

本車型是給某地區某物流運營企業開發的一款輕型純電動貨車，對整車成本的控制要求較高，同時，整車留給冷卻系統的空間十分有限，結合目前同行業主流車型的冷卻方案等因素考慮，初步選擇采用自然冷卻的方式。

3 電池冷卻性能分析驗證

3.1 系統性能目標

系統性能目標必須以滿足整車性能目標為前提，如果電池冷卻性能目標達不到要求，將直接影響到電池的充放電功率、效率、壽命和安全性，最直觀的表現是整車性能體驗效果差。該車采用磷酸鐵鋰電池，根據電池產品規格書和技術協議的要求，定義電池冷卻性能目標需滿足如下要求：

（1）各工況下，電池最高溫度<60℃;

（2）各工況下，電池單體之間的最大溫差≤8℃。

3.2 運行工況

無論是電池哪種冷卻方式，都必須通過車輛相關的試驗驗證，這就涉及到評價準則、試驗規范和要求。目前，國內尚無較成熟的純電動車動力電池的整車冷卻性能試驗工況和方法[3]。因此，本車的設計工況來源于整車性能試驗大綱和目標市場車輛的運營場景;同時考慮到電池在目標地區夏季高溫條件下的使用。根據上述原則，運行工況定義見表1：

上述工況1到工況3屬于整車常用的基本的放電工況，根據工況和整車參數可以理論計算出電池的放電功率，結合電池的放電功率表和放電溫升數據，從而得出電池的最高溫度和溫差結果。這些工況一般不復雜，根據以往車型的項目經驗來看，電池冷卻性能目標基本可以滿足。因此，本文重點分析驗證工況4（物流車專用工況）的電池冷卻性能。

3.3 熱仿真分析

在定義好運行工況后，首先需要對電池進行熱仿真分析，借助熱仿真分析工具，可以對電池包冷卻方案設計進行輔助設計和驗證，縮短產品開發時間和節約開發成本。根據上述工況4，提煉出的熱仿真工況如表2：

按照上述工況進行仿真，結果如圖1、圖2所示：經過10小時循環工況，電池最高溫度約55℃<60℃，最大溫差約8℃≤8℃，理論分析滿足要求。

3.4 測試驗證

上節熱仿真分析的結果僅僅是提供了理論手段的支持，當電池包樣品做出來后，還需要對電池包進行實物臺架測試和整車路試驗證，以進一步確認冷卻方案的可行性。

3.4.1 臺架測試驗證

調整電池包SOC到100%，靜置單體電池溫度與目標環境溫度差值不超過2℃，然后利用充放電設備輸入工況對電池包進行充放電測試，電池溫度通過BMS電池管理系統讀取。測試結果如圖3所示：工況完成時，電池的最高溫度49℃<60℃，最大溫差3℃<8℃，滿足要求。

3.4.2 整車路試驗證

當電池包臺架測試完成后，將其搭載到整車上進行5000公里的周邊道路測試。首先，根據工況要求制定相應的試驗大綱（包含路線制定，車輛配載，數據采集記錄等）;其次，盡可能地模擬物流車的實際運營場景。經過多天持續路試后，電池溫度達到平衡后的路試結果如圖4所示：電池的最高溫度52℃<60℃，最大溫差4℃<8℃，滿足要求。

以上測試結果表明，該電池系統采用自然冷卻的方式進行散熱，在整車典型工況下運行，電池的最高溫度和溫差滿足設計要求。

4 結束語

在綜合考慮車輛的安全性、復雜度、成本、開發周期等因素后，初步選擇車輛動力電池的冷卻方案采用自然冷卻的方式。該自然冷卻方案在隨后的熱仿真分析和測試驗證中實現了設計目標，并在后續整車三萬公里綜合耐久試驗和客戶實際用車測試中得到進一步驗證，其結果完全滿足性能要求，也為后續同類純電動貨車動力電池冷卻設計提供了參考依據。

參考文獻：

[1]王芳，夏軍等著.電動汽車動力電池系統設計與制造技術[M].北京：科學出版社，2017：84-85.

[2]徐善紅，馬露杰，曾祥兵.汽車動力電池熱管理系統分析與設計[J].科技視界，2013，26：360-361.

[3]黃文雪，杜雪偉，李文.輕型純電動商用車動力電池冷卻性能分析[J].內燃機與配件，2015，11：32-35.