電池熱管理對城市客車能耗的影響

翁景堅，王曉慧，楊向前

（1. 浙江工貿(mào)職業(yè)技術學院，浙江 溫州 325003；2. 溫州交運集團，浙江 溫州 325000）

0 引言

近些年，純電動城市客車得到了快速的發(fā)展。純電動客車的動力來源于蓄電池，因此其整車性能受動力蓄電池的影響非常大。動力蓄電池對工作溫度的要求較高：當工作溫度過低時，電化學反應速率下降，內(nèi)阻增大，導致電池充、放電效率降低，同時整車的能耗增加[1]；工作溫度過高會引起電池內(nèi)部電解液分解和活性物質(zhì)發(fā)生不可逆的化學反應，嚴重高溫時會使電池冒煙、起火燃燒甚至爆炸[2]。因此，為了把蓄電池的工作溫度限制在一個理想的范圍內(nèi)（20～45 ℃），并且最好將溫差控制在 5 ℃以下，電池熱管理技術在城市客車上的應用越來越廣泛。該技術不僅保證了電池擁有良好使用性能，而且能夠減緩電池的衰減，但是需要額外配套增加電池冷卻系統(tǒng)。

目前，純電動汽車電池的冷卻方式主要有風冷、液冷，以及相變材料（簡稱 PCM）的使用等。由于風冷效果欠佳，而且使用相變材料會增大電池系統(tǒng)的質(zhì)量，現(xiàn)今在中國南方地區(qū)的城市客車大多采用液冷技術。但是，電池液冷系統(tǒng)的存在導致用戶的購車成本增加。同時，在車輛營運過程中由于電池液冷系統(tǒng)導致能耗增加，車輛的營運成本也增加了。本文中，筆者統(tǒng)計分析了某地區(qū)同一時間段內(nèi)城市公交在路程相同的條件下的能耗情況，用以了解電池液冷系統(tǒng)在整車生命周期內(nèi)對整車的成本影響。

1 電池熱管理系統(tǒng)

1.1 單體電池的產(chǎn)熱機理

鋰離子電池有 2 種熱源，即可逆熱源和不可逆熱源[3]。圓柱型鋰離子電池的三維瞬態(tài)傳熱數(shù)學模型[4]為

式（1）中：ρb—電池的密度；cb—電池的比熱容；T—電池的熱力學溫度；λ—電池的導熱系數(shù)；r—電池的半徑；φ—電池的圓周角；l—電池的長度；Qg—電池內(nèi)部單位體積的熱生成率；t—時間。

1.2 電池熱管理的重要性

以鋰離子電池為例，電池的工作溫度不僅受環(huán)境溫度的影響，還受其自身充放電過程中放熱量的影響。電池的發(fā)熱量主要由以下幾個部分組成：

式（2）中各參數(shù)如下：Qb為電池的發(fā)熱量；Qr為化學反應熱；Qp為極化反應熱；Qs為副反應熱；Qj為焦耳熱。

結合相關文獻[4-5]以及不同條件下鋰電池的性能測試結果，得到鋰電池的工作特性如圖1所示：當工作溫度處于 0～10 ℃ 范圍內(nèi)時，鋰電池的容量衰減，功率性能下降，甚至在低溫充電時會出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象；工作溫度處于 20～35 ℃ 范圍內(nèi)最佳；當工作溫度處于 35～45 ℃ 范圍內(nèi)時，鋰電池自放電的風險增加；當工作溫度處于 45～65 ℃ 范圍內(nèi)時，鋰電池的不可逆反應加劇。總的來說，35 ℃以上的高溫會導致鋰電池內(nèi)部副反應增多，影響電池的可用容量，同時加速鋰電池老化，降低電池壽命和效率。嚴重高溫甚至會導致電池失效，出現(xiàn)如冒煙、起火、爆炸等危險。

圖1 鋰電池的工作特性

由于鋰電池對工作溫度的要求嚴苛，為了保證車輛在運營過程中的安全，在電池管理策略上對不同溫度不同荷電狀態(tài)（簡稱 SoC）下的充放電能力進行了限制。圖2 為某品牌鋰電池組在不同條件下的控制保護策略。當鋰電池的工作溫度過低或者過高時，出于保護目的，會對鋰電池組的充放電電流進行限制，但是這將影響純電動城市客車在運營過程中的制動能量回收能力，使得車輛的運營能耗增加，不但減少了車輛的續(xù)駛里程，而且增加了運營成本。因此，電池冷卻系統(tǒng)的應用有利于電池發(fā)揮良好的性能，從而提高整車性能，降低運營能耗。

圖2 某品牌鋰電池組的回充電流限值

2 電池的冷卻方式

純電動汽車電池的冷卻方式主要有風冷、液冷，以及相變材料的使用等。

2.1 風冷技術

風冷的原理是利用空氣的流動，通過換熱的形式帶走電池放出的熱量。風冷包含自然風冷和強制風冷[6]。自然風冷是指利用空氣的自然流動來達到散熱的目的。強制風冷是指利用風扇或專門設計的風管在特定空間內(nèi)形成相應的氣流，以達到散熱的目的。由于效果欠佳，風冷技術更適合在中國北方等夏天環(huán)境溫度較低的地區(qū)配套使用。

2.2 相變材料冷卻技術

根據(jù)材料組成，相變材料可以分為無機相變材料、有機相變材料、復合相變材料等。無機相變材料主要有石墨、熔融鹽、結晶水等。無機相變材料的優(yōu)點是相變焓高，且熱導率高，但是過冷度也較高，而且熱穩(wěn)定性差。有機相變材料，如石蠟、醋酸等，具有無腐蝕性，過冷度低，化學穩(wěn)定性好等特點。復合相變材料是將有機材料和無機材料復合在一起使用，各取所長。相比之下，復合相變材料對鋰電池的熱管理有更好的效果。

相變材料冷卻的原理是利用相變材料的潛熱對電池進行冷卻。一般情況下，相變材料直接與電池單體接觸。常溫下相變材料通常為液態(tài)。相變材料在液態(tài)、固態(tài)、汽態(tài)之間轉變時會吸收（或釋放）大量的熱，而溫度基本保持不變。相變材料導熱和吸熱性能顯著，所以當電池組內(nèi)部某個單體電池的溫度超過正常工作溫度范圍時，其熱量能夠迅速傳遞，使單體電池間溫度基本一致。如此往復循環(huán)，實現(xiàn)對電池的冷卻。然而，由于相變材料的導熱系數(shù)小，額外使用相變材料將會增大電池系統(tǒng)的質(zhì)量，以及不便于后期維護，所以目前相變材料冷卻技術不易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2.3 液冷技術

液體冷卻是指電池模塊可以用液體冷卻介質(zhì)，如水、礦物油、乙二醇、電介質(zhì)等，進行冷卻[7]。一般選用導熱系數(shù)較高的傳熱工質(zhì)，通過直接接觸或者間接接觸的方式實現(xiàn)換熱，達到冷卻的效果。由于液體冷卻具有較高的換熱系數(shù)，與空氣冷卻系統(tǒng)或 PCM 冷卻系統(tǒng)相比，液體冷卻系統(tǒng)可提供較好的熱交換能力。而且，液冷系統(tǒng)便于制作裝配和后期維護。目前，在純電動汽車上液體冷卻系統(tǒng)的應用逐漸增加。圖3 中介紹的鋰電池液體冷卻系統(tǒng)的電氣連接方案為：① 整車冷卻機組的高壓取電至電池包高壓箱；② 整車冷卻機組內(nèi)部進行變壓配電（壓縮機、水泵、風機閥和控制器等）；③整車冷卻機組制冷和待機狀態(tài)由電池管理系統(tǒng)（簡稱 BMS）處理器控制。

圖3 鋰電池液體冷卻系統(tǒng)架構圖[5]

2.4 電池冷卻方式性能對比

目前，表1 所列的冷卻方式在市場上應用較為廣泛，且各有優(yōu)勢。其中，自然風冷在溫度均勻性、能耗和成本方面是最有優(yōu)勢的，但是在散熱效率、環(huán)境適應性和高溫高寒的兼顧性上則比較差。雖然強制風冷的散熱效率稍好一點，但是其復雜程度和能耗較高。液冷的能耗和成本也比較高，但是其散熱效率、環(huán)境適應性和高溫高寒的兼顧性都要優(yōu)于風冷。從對比結果可知，風冷的痛點在于保溫與散熱難以兼顧，受環(huán)境溫度影響大，且高溫冷卻效果不佳，因此不適用于中國南方大部分地區(qū)。電池液冷方式受益于其冷卻效果好及方便維護的優(yōu)點，逐漸的被市場認可。

表1 電池冷卻方式性能的評價表

3 冷卻方式對能耗的影響

選擇某品牌的一款城市客車作為實驗對象，對比自然風冷與液冷對整車能耗的影響。車型參數(shù)為：車身長 12 m；滿載質(zhì)量為 18 t；配電量為 256 kW·h。運營路線和運營工況與車輛基本情況相當，所有運營路線的全程平均車速為 19 km/h。本次共抽取了6 組車輛為樣本。在 8月1日～8月20日之間 6 組車輛都未屏蔽電池液冷系統(tǒng)，而第1 組和第4 組車輛在 8月21日～8月27日之間屏蔽了電池液冷系統(tǒng)。在整個實驗過程中 6 組車輛的空調(diào)都處于開啟狀態(tài)。最后，調(diào)取從 8月1日～8月29日所有車輛每日的能耗情況，并通過計算得出兩個時段（即8月1日～8月20日和 8月21日～8月27日）的單日平均運營能耗。從圖4 可以得出，8月20日之前的平均能耗為 111 kW·h/100 km，比 8月20日之后的單日平均能耗 99 kW·h/100 km 要高出 10.8 %左右。

圖4 不同組別車輛 8月份單日平均運營能耗

3.1 溫度對能耗的影響

8月1日～8月20日環(huán)境溫度為 26～39 ℃，而 8月21日～8月27日環(huán)境溫度為 24～38 ℃。因為已計算出 8月20日之前的平均能耗為 111 kW·h/100 km，8月20日之后的單日平均能耗 99 kW·h/100 km，所以在 8月21日～8月27日之間溫度對整車能耗的影響大概為 10 % 左右。

3.2 屏蔽電池液冷后能耗分析

第1 組車輛在 8月1日～8月20日沒有屏蔽電池液冷系統(tǒng)期間的平均能耗為 110 kW·h/100 km，而在 8月21日～8月27日屏蔽液冷系統(tǒng)期間的平均能耗為 87 kW·h/100 km，即相對于屏蔽前，屏蔽后能耗減少約 20.9 %。第4 組車輛在 8月1日～8月20日沒有屏蔽電池液冷系統(tǒng)期間的平均能耗為113 kW·h/100 km，而在 8月21日～8月27日屏蔽液冷系統(tǒng)期間的平均能耗為 94 kW·h/100 km，即相對于屏蔽前，屏蔽后能耗減少約 16.8 %。

3.3 單組車輛有無屏蔽液冷能耗分析

調(diào)取第4 組車輛（已屏蔽電池液冷系統(tǒng)）和第2 組車輛（未屏蔽電池液冷系統(tǒng)）車輛在 8月21日～8月27日期間能耗數(shù)據(jù)進行對比。可以發(fā)現(xiàn)，在相同時間段內(nèi)環(huán)境溫度為 24～38 ℃ 的條件下屏蔽了電池液冷系統(tǒng)的第4 組車輛的整車能耗為 91 kW·h/100 km，比第2 組車輛的整車能耗（101 kW·h/100 km）降低了 9.9 %。

3.4 小結

通過以上匯總分析可以得出：以 8月21日為分界點，由環(huán)境溫度變化導致平均整車能耗存在 11 %左右的差異；以 8月21日為分界點，第1 組和第4 組車輛在屏蔽電池液冷系統(tǒng)前后平均整車能耗存在 19 % 左右的差異；8月21日后有、無屏蔽液冷機組車輛的平均能耗存在 10 % 左右的差異。因此，在初步剔除環(huán)境溫度變化對整車能耗的影響之后，在夏天電池液冷系統(tǒng)對整車能耗的影響大約為 9 %。

4 結論

冷卻系統(tǒng)能夠讓電池工作一個合理的溫度范圍內(nèi)，以便于其較好地發(fā)揮自身性能，有益于降低車輛能耗，所以電池冷卻系統(tǒng)在整車上的應用將會越來越廣泛。但是，相比于現(xiàn)階段電池自然風冷系統(tǒng)，電池液冷系統(tǒng)在夏天的電量消耗較高，二者之間的電耗差異大約為 9 % 左右。雖然在城市客車 8 a 生命周期內(nèi)電池液冷系統(tǒng)可使電池的衰減率降低 10 %，但是由于電池液冷系統(tǒng)在夏天使整車能耗增加，導致車輛的續(xù)駛里程與搭配自然風冷系統(tǒng)的車輛并無明顯差異，反而增加了車輛的購車成本以及后續(xù)的維修保養(yǎng)成本。