純電動客車配置不同功率液體PTC加熱器對動力電池溫度性能的影響

摘 要：本文針對純電動客車動力電池PTC液體加熱系統(tǒng)，使用同車輛在－30℃寒冷環(huán)境艙內(nèi)，分別測試10kW和20kW兩種不同加熱功率狀態(tài)下，對于動力電池系統(tǒng)的溫升性能影響。通過每間隔2min記錄電池系統(tǒng)電芯最低溫度（℃）、電池系統(tǒng)電芯最高溫度（℃）的數(shù)值對比分析，結(jié)果表明液體PTC加熱器為10kW時最低溫度上升速率為0.227℃/min，液體PTC加熱器為20kW時最低溫度上升速率為0.306℃/min，提高了1.35倍左右。

關(guān)鍵詞：純電動客車 動力鋰電池 不同功率 PTC水加熱系統(tǒng) 溫升

隨著能源危機、環(huán)境污染等越來越嚴(yán)峻的形勢，人們開始意識到發(fā)展電動汽車是未來交通的必然趨勢[1]；而動力電池的性能很大程度上決定電動汽車的性能[2]。磷酸鐵鋰動力電池具有工作電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點[3-4]，因此在電動汽車中被廣泛應(yīng)用[5-7]。然而，鋰離子動力電池在使用過程中表現(xiàn)的不一致性，始終是制約電動汽車發(fā)展的瓶頸之一；其中，溫度不一致性是影響電池不一致性的直接元兇[8]。因此，做好動力電池的工作環(huán)境溫度的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。

由于鋰離子電池對溫度非常敏感，它有一個適宜的充放電溫度區(qū)間，一旦溫度超過或者低于這個溫度范圍，其充放電將會受到非常大的影響。一般鋰離子電池最適宜的工作溫度為25℃左右，當(dāng)溫度低于這個最佳溫度時，電芯的充放電性能將會大大降低，甚至影響電池的壽命，所以電池保溫措施就顯得尤為重要。目前主流的電池保溫措施主要有以下幾種：電阻加熱系統(tǒng)、液體加熱系統(tǒng)、外置熱源加熱、脈沖自加熱以及熱泵技術(shù)。液體加熱系統(tǒng)其實就是PTC水加熱系統(tǒng)，由PTC和液體循環(huán)系統(tǒng)組成，相比于單純的PTC電阻加熱，液體加熱系統(tǒng)可以加熱得更加均勻，降低熱失控的概率，這點應(yīng)該比較好理解，可以理解為優(yōu)化的一種電阻加熱系統(tǒng)。PTC水加熱系統(tǒng)是一種結(jié)合了PTC熱敏電阻和液體循環(huán)系統(tǒng)的加熱方式。其具有安全性好、成本低、壽命長的特點，可以更均勻地加熱電池，降低熱失控的風(fēng)險，因此被廣泛應(yīng)用于新能源客車的動力鋰電池系統(tǒng)的加熱保溫措施。本文針對純電動客車動力電池PTC水加熱系統(tǒng)，車輛在－30℃環(huán)境下，分別測試10kW和20kW兩種不同加熱功率狀態(tài)下，對于動力電池系統(tǒng)的溫升影響。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗一：安裝10kW加熱PTC

整車（6個動力電池箱都分布安裝在車頂處）在常溫下充滿電后立刻放置在環(huán)境艙內(nèi)，做好相關(guān)加熱試驗開啟準(zhǔn)備檢查工作：

（1）加熱器能否正常啟動，工作有無異常，加熱功能是否正常；

（2）管路中水泵是否正常啟動工作，同時通過流量計觀察管路總流量大小值是否滿足要求；

（3）管路是否加注冷卻液且充分排氣；

（4）管路連接是否規(guī)范，冷卻液有無泄漏情況；

（5）管路是否保溫處理。

以－30℃溫度設(shè)置開啟環(huán)境艙，開始如下實驗步驟：

（1）車輛在設(shè)定的低溫環(huán)境條件下靜置足夠長的時間，自環(huán)境溫度達到設(shè)定溫度后開始計時，有效浸車時間至少為12h；

（2）在滿足有效浸車時間后，開鑰匙上高低壓電后，動力電池管理系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前的動力電池溫度、電量、有無故障等情況自動判斷是否開啟液體加熱PTC，給整個電池包加熱保溫。通過整車調(diào)試上位機發(fā)現(xiàn)液體加熱PTC正常開啟后，每間隔2min記錄電池電芯最低溫度（℃）、電池電芯最高溫度（℃），PTC加熱器進、出水溫度（℃）；

（3）試驗直至電池電芯T最小溫度≥10或T平均溫度≥13，動力電池管理系統(tǒng)會自動關(guān)閉液熱系統(tǒng)，此時停止試驗，下高低壓電，關(guān)閉環(huán)境艙。

備注：整車的其他相關(guān)參數(shù)及準(zhǔn)備工作如下。

電池組參數(shù)：637.56V/200Ah/155.33kWh，總共6箱，電池箱殼體底部自帶液體板換用于熱量交換，單箱液體板換容積為0.6L左右，單箱的流阻為30kPa左右，流量需求為10 L/min。

液冷管路為3S2P，即每3個電池箱串聯(lián)成一個支路，在外部的2支路管路并聯(lián)在主回路上；由于是2并聯(lián)管路，且單箱的流量需求為10 L/min，所以管路總流量大小值要大于20 L/min。通過實際觀察測量值，本次的樣車實測數(shù)據(jù)為23.12L/min，滿足實驗要求；且每個管路支路設(shè)計有一個支路閥門，可以用于調(diào)節(jié)每個支路的流量大小，保證每個支路的流量相差不大。通過觀察管路支路安裝的流量計閥值，分別是11.61L/min和11.51L/min可知滿足實驗要求。

為了更好地驗證實驗效果，動力電池包的整車安裝區(qū)域要做好相關(guān)保溫措施，減少電池包的外殼和外界的冷空氣直接接觸導(dǎo)致的熱量損失。

管路中的液體要使用低溫防凍液，提高工作效率和可靠性，防止－30℃低溫環(huán)境下結(jié)冰，導(dǎo)致實驗失敗。

1.2 實驗二：安裝20kW加熱PTC

將原車的10kW的PTC拆下來，在同樣位置安裝20kW的加熱PTC后，然后對整車進行充滿電，再重新放置在環(huán)境艙內(nèi)，同樣做好相關(guān)加熱試驗開啟準(zhǔn)備工作后以－30℃溫度設(shè)置開啟環(huán)境艙，開始實驗一的1-3步驟。圖1為整車在環(huán)境艙照片。

2 實驗的結(jié)果和對比分析

（1）安裝10kW加熱PTC，動力電池的最高最低溫度記錄數(shù)值形成，如表1。

（2）安裝20kW加熱PTC，動力電池的最高最低溫度記錄數(shù)值形成，如表2。

由于動力電池的放電功率大小主要是以電池包的最低溫度閥值作為軟件邏輯判斷，所以重點關(guān)注電池包的最低溫度溫升情況。采用表1和表2的動力電池最低溫度做出10kW和20kW兩種不同加熱功率狀態(tài)下電池最低溫度對比的折線圖如圖2所示。

對比分析：液體加熱器開啟之后的6-8分鐘左右，動力電池包內(nèi)的溫度基本不變，原因分析如下：在加熱初期，熱量主要用于提高流體的溫度，而不是直接加熱電池本身。流體的流動主要是為了將熱量傳遞給流道壁面，從而間接加熱電池。此時，由于流體與流道壁面之間的熱傳導(dǎo)作用，流體的溫度會逐漸升高，但電池本身的溫度提升并不明顯。這是因為大部分熱量被用于提高流體的溫度，而不是直接作用于電池上。因此，在加熱的早期階段，水溫的升高并不意味著電池溫度的顯著提升，從而表現(xiàn)出水溫不變的現(xiàn)象。

安裝10kW加熱PTC，經(jīng)過88min的實驗，動力電池的最低溫度從－15℃升高至5℃，溫升是20℃，上升速率為0.227℃/min；安裝20kW加熱PTC，經(jīng)過62min的實驗，動力電池的最低溫度從－15℃升高至4℃，溫升是19℃，上升速率為0.306℃/min，相對于10kW加熱PTC，溫升速率提高了1.35倍左右。

3 結(jié)束語

本文針對純電動客車動力電池PTC水加熱系統(tǒng)，車輛在－30℃環(huán)境下，分別測試10kW和20kW兩種不同加熱功率狀態(tài)下，對于動力電池系統(tǒng)的溫升影響。結(jié)果表明液體PTC加熱器為10kW時最低溫度上升速率為0.227℃/min，液體PTC加熱器為20kW時最低溫度上升速率為0.306℃/min，提高了1.35倍左右。根據(jù)鋰離子動力電池特性，溫度過低時，電池容量會有衰減，降低動力電池的放電能力從而影響續(xù)航里程，還會影響車輛的動力性，能量回收等。且若此時直接低溫充電還會導(dǎo)致動力電池內(nèi)短路存在引發(fā)熱失控等風(fēng)險，所以動力電池溫度過低時需要及時加熱（或保溫）。同時考慮成本問題，在使用PTC水加熱系統(tǒng)時，一般地區(qū)采用10kW左右液體加熱器即可，針對寒冷地區(qū)可采用20kW或者功率更大的液體加熱器，更迅速地提高電池溫度。

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