余熱回收對動力電池SOC 及低溫容量衰減影響研究

陳 俊， 黃 鑫， 李 強， 郭深深

（1.濰柴動力股份有限公司， 上海 201100；2.濰柴新能源科技有限公司， 山東 濰坊 261061）

在低溫環境中，動力電池可用能量和可輸出功率衰減嚴重，且長期在低溫下工作會加速電池老化，縮短使用壽命［1］。在低溫中，通常會用PTC方案對電池進行加熱，但這種方案會大幅消耗電池能量［2］。而電機、電控在車輛行駛中會產生一定的熱量，利用這些熱量對電池進行加熱是當前研究的一個方向。

為研究電機余熱的實際效果，W公司在2022年1月對某純電輕卡進行了改制及試驗，之后利用KULI 及Matlab/Simulink對自然風冷方案、余熱回收方案的動力電池相關參數進行了仿真分析，以期為余熱回收方案的應用提供借鑒。

1 電機、電池熱管理系統介紹

在電動汽車中，電機、電機控制器的最佳工作溫度范圍分別為-40～70℃和-40～65℃，動力電池合適的溫度在15～35℃之間［2］。滿足三電系統的使用溫度要求是電動汽車熱管理系統的設計目標。

1.1 原電機、電池框圖介紹

原車的熱管理系統分為電機及多合一控制器的冷卻系統、電池熱管理系統兩個相對獨立的部分。

電機及多合一控制器的散熱采用水冷方案，冷卻液在水泵的驅動下流經多合一控制器、電機將這些零件中的熱量帶出，在電機散熱器及風扇總成的作用下冷卻液中的熱量交換至環境中，之后冷卻液再次進入循環。

動力電池為磷酸鐵鋰電池組，分別布置于車輛的左右側，4個電池組串聯成額定容量173Ah、標稱電壓566V的電池包。動力電池的熱管理采用自然風冷、電熱膜加熱的方案，當電池溫度低于5℃時，BMS控制加熱膜加熱電池直至達到設定溫度后停止。動力電池需要散熱時，電芯將熱量傳導至電池底部的液冷板，液冷板再通過輻射與對流的方式將熱量傳遞至環境中。動力電池液冷板的設計是以滿足夏季電池散熱需求為依據的，易導致冬季電池保溫效果不佳的問題。原車熱管理系統框圖見圖1。

圖1 原車電機、 電池熱管理框圖

1.2 電機余熱回收框圖介紹

根據理論計算，此車型在滿載、等速60km/h行駛時，電機轉速為5722r/min，扭矩為44.5Nm，此時電機效率約為92%，若其余功率全部轉化為熱量將會有2.1kW，但實際有多少能被回收利用需要通過試驗定量分析。

為使余熱作為試驗過程中的唯一變量，對樣車改制如下：左、右側電池模組1接入電機余熱回路，左、右側電池模組2保持原狀態。下文中將采用“余熱回收與電熱膜加熱”的方案，簡稱為余熱回收方案；將仍為“自然風冷與電熱膜加熱”的方案簡稱為自然風冷方案。圖2為改制后的系統框圖，該改制方案能最大程度避免試驗過程中環境溫度、風速、電機運行工況的影響，在一次試驗中獲得定量的對比數據。

圖2 電機余熱回收系統框圖

2 余熱回收試驗

通過后臺跟蹤已經銷往成都、鄭州兩地的車輛，得出表1的用戶常用工況。

表1 客戶主要運行道路及車速

以中國天氣網公布的2021年11月～2022年2月成都、鄭州兩地的氣象信息為依據，考慮一般客戶都有收車充電、清晨冷態用車的習慣，結合設計要求低于5℃立即進行電熱膜加熱的熱管理策略，得出成都約有45天觸發電池的電熱膜加熱，而鄭州約有100天。下文進行余熱回收試驗、仿真分析時將以此為基準。

2.1 試驗設備

本次試驗使用FLUKE記錄布置在電池冷卻液循環回路中的溫度測點數據，通過CANOE記錄電池SOC、電池充放電電流、電池最高溫、電池最低溫、電池組內電芯溫度、電機轉速、電機扭矩、電機控制器溫度等整車主動外發的報文數據，通過GPS記錄車速信息。

2.2 試驗結果

余熱回收試驗以改制后樣車為對象，在某試驗場高速環道進行。行駛試驗前均控制電池充滿電后冷浸12h以上，試驗全程關閉空調采暖，詳見表2。

表2 試驗工況及結果

2.2.1 行駛工況試驗結果

試驗表明，余熱回收方案的電池組平均溫度都會明顯大于自然風冷方案，以60km/h的兩次試驗數據為例，說明如下。

1） 圖3中左、右側電池組1在試驗后期溫度趨于平緩，即余熱回收的熱量加上電池自發熱的熱量約等于電池組對外的對流換熱熱量，在試驗截止時，比自然風冷的電池組均溫約高5℃。

圖3 1月2日電池組均溫

2） 左、右側電池組1的均溫在圖4中下降趨勢與其余2個電池組相同，排除了電池模組差異。

3） 兩次試驗的電池組均溫都是先向上爬升至22℃，之后余熱回收方案的電池模組均溫走勢趨于平緩，但自然風冷的電池組均溫都是向15℃下降。

4） 圖4中，電池平均溫度到達22℃后，從3600s至7200s下降了約5℃。

圖4 1月4日電池組均溫

5） 電池模組均溫在15℃后都波動運行至約22℃，這是加熱膜停止加熱后電芯熱慣性導致的。

2.2.2 靜置溫降試驗結果

對動力電池開展靜置溫降試驗，電池最低溫度從25℃降低至20℃用時1h，再降至15℃用時約1.3h，再降至10℃用時約1.4h，從25℃降低至-5℃總耗時約14h。

2.3 小結

1） 在行駛工況中，相比自然風冷方案，余熱回收方案的電池組平均溫度稍高且可延長約1h的溫降時長。

2） 即使停車時電池平均溫度25℃左右，但用車間隔達到14h后，電池組溫度將逼近環溫。

3） 在行駛工況中，電機的溫度會上升至80℃，但急加速、急減速時電機出水溫度不超過45℃，此水溫可以進入液冷板對電池進行加熱且不會產生水溫過高的問題，試驗數據支持下文開展余熱回收方案的研究。

3 仿真模型搭建

第2章的試驗中同時獲得了“自然風冷方案”和“余熱回收方案”的動力電池溫度，本章節將利用KULI搭建與試驗樣車相同的動力電池放電模型。

3.1 電芯模型及參數

本車動力電池采用1P176S的電芯串聯方案，標稱電壓為566V、額定存儲能量98kWh。其中1號電池箱有48個電芯，2號電池箱有40個電芯，在充放電過程中每個電芯電流相同。電芯的內阻、SOC、溫度、電壓的關系如圖5、圖6所示：在相同SOC下，溫度越高內阻越低，相同的充、放電電流下產生的熱量也越低；當溫度不變時，SOC值越高內阻也越低；根據電池電壓、SOC的關系，當動力電池恒功率輸出時，電壓將隨著SOC一起降低，但電流會增大。

圖5 電池內阻、 SOC、 溫度關系

圖6 電池電壓、 SOC、 溫度關系

3.2 電池包模型及參數

如圖7、圖8所示，電池模組1在Y方向布置有2個電芯，在X方向等間距布置24排電芯（模組2為20排，下文仿真時都簡化為22排），電芯的下方為導熱膠、鋁制液冷板。電池模組外殼與電芯間有空氣隔熱層，靠近外殼的電芯側面還會被加熱膜包裹。

圖7 電芯在電池模組內部布置示意

圖8 電池模組剖視圖示意

3.3 低溫下的SOC估算

動力電池在恒溫、恒流放電時，其實際可放電容量隨著溫度的降低在下降，根據文獻［3］的研究成果，將本車動力電池可放電容量與溫度關系繪制成散點，如圖9所示。

圖9 可放電容量與溫度關系示意

車輛在低溫下使用時，動力電池的溫度會從冷態向上爬升，此階段的SOC計算是難點。本文對安時積分法［4］進行變換，將溫度爬升階段的額定容量變換為與電池溫度關聯的Ct0，公式如下：

3.4 電池產熱及傳熱過程

根據文獻［2-3］的研究，通常焦耳熱為電池熱量的主要來源。當電池加熱膜工作后，靠近加熱膜的電芯會首先被加熱，之后熱量會傳導和輻射至更遠的電芯；當余熱回收起作用時，冷卻液會先將液冷板加熱，加熱后的液冷板再將熱量傳導至電芯；在自然風冷方案中，電芯主要通過液冷板與環境進行換熱。

車輛在行駛時，液冷板與下部空氣形成強制對流換熱，傳熱系數K值約為10～100W/（m2.k）［5］。根據壁面傳熱的公式估算出電池模組2在80km/h試驗后期K值約為35W/（m2.k），電池模組1在等速60km/h試驗后期K值約為25W/（m2.k）。根據經驗，車輛靜止或者增加隔熱措施后的K值約為15W/（m2.k）。

3.5 電機效率介紹

電機在運行過程中不可避免會產生很多熱量損失而使電機生熱［3］，通過電機在不同轉速和扭矩下的效率可求得電機生熱量。相同轉速時，扭矩的變化會使得電機效率發生變化；扭矩一定時，電機的轉速也會使得電機處于不同的效率區。

3.6 電池加熱策略、水泵運行邏輯

對第2節的試驗數據進行分析，發現此樣車的加熱策略是：BMS監測到電池最低單體溫度低于10℃，同時電池最高溫度與最低溫度差值在8℃以內，開啟加熱膜加熱；當電池最低單體溫度高于15℃時，停止加熱。根據規格書，電池組1的加熱膜功率為0.9kW，電池組2的功率為1.07kW。

電機、電控回路水泵運行策略為：當電機溫度高于75℃時水泵運行，當電機溫度低于60℃時水泵停止運行；當電控的溫度高于55℃時水泵運行，當電控溫度低于40℃時水泵停止運行。文獻［1］發現電控在各工況下發熱功率約為300W左右，可通過質量塊替代。

3.7 仿真模型

在KULI中搭建如圖10所示的仿真模型，其中2個電池模組1組成余熱回收電池組模型并與電機水循環回路相連，2個電池模組2組成自然風冷電池組與環境相連；電機功率通過行駛工況中的扭矩、轉速計算，將電池溫度作為加熱策略的觸發條件，電機與加熱膜的功率之和為電池功率計算模塊；系統中冷卻液通過質量塊替代，電機的轉子溫度作為水泵運行的觸發條件。

圖10 動力電池放電模型

3.8 仿真模型準確性驗證

為驗證上述模型的準確性，對表2中等速工況進行仿真，并將數據繪制成圖11、圖12的曲線。

圖11 60km/h電池溫度及SOC變化曲線

圖12 80km/h電池溫度及SOC變化曲線

1） SOC的對比

在等速60km/h中，仿真SOC在前3000s稍大，最大差值約1%；在4000～5000s時，仿真與試驗值重合度較高；6000s后仿真值偏小，在仿真截止時差值約3%。

在等速80km/h中，仿真SOC在前800s內以及2500～4500s之間與實測值基本重合；在800～2500s之間，最大差值約1%；4500s后仿真值偏小，在仿真截止時差值約1.7%。

2） 自然風冷電池溫度對比

在等速60km/h中，仿真值在2300s前稍低，最大差值出現在1140s的1.2℃；2300～2800s時，仿真與實測重合度較高，差值在0.3℃以內；2800～4000s，仿真值稍小，出現在3650s的1.7℃；在4000s后最大差值為0.5℃且都呈現下降趨勢。

在等速80km/h中，仿真值在2000s前稍低，最大差值出現在1170s的1.8℃；2000～3000s時，仿真值稍小，最大差值出現在2400s的1.7℃；3000s后兩者走勢相同，最大差值為0.7℃。

3） 余熱回收電池溫度對比

在等速60km/h中，仿真值在1500s前稍低，最大差值出現在750s的1.3℃；在1500～3600s時，仿真值稍高，最大差值出現在2900s的2.42℃；3600s之后兩者走勢相同，最大差值出現在5300s的0.96℃。

在等速80km/h，仿真值在1250s前稍低，最大差值出現在750s的1.8℃；在1250～2650s時，仿真值稍高，最大差值出現在2050s的1.7℃；2650s后最大差值為1.9℃，但兩者走勢相同。

上述仿真模型在SOC的仿真上，最大差值為3%；在自然風冷電池溫度的仿真上，最大差值1.8℃，出現在電芯溫度熱慣性上升段；在余熱回收電池溫度的仿真上，最大差值2.42℃，也出現在電芯溫度熱慣性上升階段。模型能準確描述出電池溫度、SOC的變化，支持下文繼續開展與溫度、SOC相關的仿真研究。

4 動力電池低溫容量衰減與溫度提升研究

參考GWM 3049［6］和中汽研EV-TEST的測試工況［3］，下文抽離出-7℃、等速60km/h運行9000s的仿真工況，對此特定工況下的動力電池8年壽命期低溫容量衰減進行研究。

4.1 電池低溫容量衰減模型介紹

式中：Qloss%——電池容量衰退百分比；Crate——電池電流倍率；Ah，i-1——安時積分法求得的電池電量。

如圖13所示，利用Matlab/Simulink對上述公式進行建模，將KULI仿真的電池溫度、電流等參數代入模型，對壽命期內總的低溫容量衰減百分比進行計算。

圖13 電池低溫容量衰減仿真模型

4.2 加熱策略與低溫容量衰減研究

將3.7節的動力電池全部接入風冷回路構成原車的自然風冷方案電池放電模型，全部接入電機冷卻回路構成余熱回收電池放電模型，將仿真結果匯總進表3、表4。

表3 原車自然風冷方案仿真數據匯總

表4 余熱回收方案仿真數據匯總

通過上述表格發現，在相同的加熱策略下，余熱回收方案都能減少加熱膜的工作時長，以加熱策略4、5為例，節省約0.3kWh和1.4kWh的電量；加熱策略還會影響低溫容量衰減，策略中的截止溫度越高衰減越少，降幅在1.7%～0.7%之間；余熱回收方案截止SOC稍大于原車，提升幅度在1%～2%之間，但幾組截止SOC幾乎相同，這是因為雖然加熱膜耗電量不同，但電池溫度的上升又彌補了這部分損失（低溫環境中，電池溫度上升帶來SOC的增加是非穩態的）。仿真過程中動力電池溫度變化曲線見圖14、圖15。

圖14 自然風冷電池溫度變化曲線

圖15 余熱回收電池溫度變化曲線

在加熱策略5中，余熱回收方案的電池溫度在3300s左右上升至15℃，之后未觸發加熱策略再次工作；自然風冷方案的溫度在3700s觸及15℃，在7000s時下降至10℃再次觸發加熱膜工作；在加熱策略4中，余熱回收方案的電池溫度在2500s時上升至10℃，之后升至11.69℃；自然風冷方案的溫度在3000s觸及10℃，在仿真結束時為5.63℃。電池溫度在余熱回收方案中有趨向13℃的趨勢，在自然風冷方案中都有趨向3℃趨勢。

綜上，為避免客戶在實際用車過程中電加熱膜被反復觸發，盡可能提升續駛里程，降低低溫衰減，建議原車采用加熱策略4。在此加熱策略下，余熱回收方案可進一步減少0.3kWh加熱膜耗電量，提高約1%的SOC，延長約1h的靜置溫降，降低約0.5%的低溫容量衰減。但無論哪種加熱策略，余熱回收都無法將動力電池的溫度調整至合適區間。

4.3 動力電池溫度提升研究

接上文，從提升電池初始溫度、增加隔熱措施的維度，以將電池溫度調整至15～35℃為目標，對余熱回收方案下幾種行車場景進行分析：①僅提升電池初始溫度的態行車場景1，假設充電保溫后電池溫度為25℃；②在此基礎上增加電池隔熱措施的熱態行車場景2；③僅增加電池隔熱措施的冷態行車場景2（冷態行車場景1與4.2節相同）。

表5中截止溫度表明：有隔熱措施時，不論電池是否增加初始溫度都可達到目標，僅提升電池初始溫度則無法達成目標。結合4.2節內容，在仿真結束時，余熱回收方案的熱態行車場景2比自然風冷的冷態行車場景1提升約8.8%的SOC，增加23.7℃的電池溫度。

表5 電池截止溫度、 SOC對比表

5 總結

1） 不同的加熱策略對低溫容量衰減、電池溫度都有影響，在本文推薦的加熱策略下，余熱回收方案可進一步減少加熱膜耗電量0.3kWh，提高約1%的SOC、降低約0.5%的電池低溫容量衰減。

2） 只有在動力電池增加隔熱措施的前提下，余熱回收方案才能將本車型的電池溫度調整至合適區間。但動力電池增加隔熱措施后，需要對其散熱性能進行分析，以避免其在充電、行車散熱時受到影響。

3） 本文抽離出特定的低溫仿真工況開展相關研究，對特定的用戶群、銷售區域，還需提取相應的工況開展具體分析；同時，車輛增加余熱回收方案后，加熱策略也存在繼續優化的空間［3］，此部分還需繼續研究。