汽車動(dòng)力電池低溫加熱方法研究

劉存山，張紅偉

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東東莞523808；2.廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣東廣州511442)

汽車動(dòng)力電池低溫加熱方法研究

劉存山1，張紅偉2

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東東莞523808；2.廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣東廣州511442)

為滿足汽車動(dòng)力電池的低溫使用要求，根據(jù)傳熱學(xué)的原理，建立了動(dòng)力電池的低溫加熱模型，并利用該模型設(shè)計(jì)了低溫加熱方案，通過(guò)對(duì)比分析兩種不同的低溫加熱器的優(yōu)缺點(diǎn)，選用了電熱膜加熱器方法。仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電熱膜加熱器具有良好的低溫加熱效果，不會(huì)影響動(dòng)力電池的散熱，而且具有良好的常溫保持性能。

電動(dòng)汽車；低溫加熱；電熱膜加熱器

車載可充電儲(chǔ)能裝置 (rechargeable energy storage system，RESS)是插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車重要的能量存儲(chǔ)裝置，直接影響到整車的動(dòng)力性和安全性?，F(xiàn)階段由于動(dòng)力電池材料所限，動(dòng)力電池的性能還無(wú)法滿足低溫和高溫環(huán)境下的使用要求，因此需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的動(dòng)力電池系統(tǒng)的溫度管理系統(tǒng)(battery thermal management，BTM)來(lái)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行安全監(jiān)控和有效管理，使動(dòng)力電池始終工作在合適的溫度范圍內(nèi)，避免影響車輛的使用甚至引起安全事故，同時(shí)避免動(dòng)力電池單體長(zhǎng)時(shí)間存在較大的溫差造成電池一致性惡化，從而降低動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能，縮短電池的使用壽命[1-2]。

本文以一款特殊結(jié)構(gòu)類型的插電式混合動(dòng)力車輛——增程式純電動(dòng)汽車(extended ranged electric vehicle，E-REV)使用的鋰離子動(dòng)力電池為研究對(duì)象，研究低溫情況下動(dòng)力電池的加熱和保溫方法。

1 E-REV的低溫下動(dòng)力電池使用問(wèn)題

E-REV是一種新型結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)類汽車，是純電動(dòng)汽車的增程。和其他過(guò)渡車型相比，E-REV在能源利用效率、價(jià)格、使用方便性上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以共用現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)設(shè)備、加油、維修等保障體系，解決了純電動(dòng)汽車對(duì)于基礎(chǔ)充電設(shè)施過(guò)度依賴的缺點(diǎn)，因此最近幾年來(lái)，各大整車企業(yè)開始加大對(duì)E-REV的研究[3-4]。

本文研究的E-REV從基本結(jié)構(gòu)上來(lái)講是一款串聯(lián)式的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輛。在低溫環(huán)境下(例如－30℃)，如果動(dòng)力電池不能充電或者沒(méi)有足夠的功率驅(qū)動(dòng)車輛行駛，則增程式發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)或車輛不能行駛，E-REV完全無(wú)法使用；即使動(dòng)力電池在低溫下可以放出少量的電能驅(qū)動(dòng)車輛行駛，整車動(dòng)力性也會(huì)明顯下降；同時(shí)由于鋰離子動(dòng)力電池的低溫充電性能較差，在不能及時(shí)給動(dòng)力電池充電的情況下，動(dòng)力電池最終會(huì)被放空導(dǎo)致車輛完全失去動(dòng)力。因此該款E-REV動(dòng)力電池的低溫加熱功能非常必要，也是BTM設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

2 RESS的低溫加熱方法

表1列出了該款E-REV的動(dòng)力電池在低溫情況下的充放電容量與常溫25℃標(biāo)稱容量的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)。由表1可知，低溫下動(dòng)力電池1C充放電容量下降得厲害，特別是在－30℃下動(dòng)力電池容量幾乎等于0，已經(jīng)無(wú)法使用。表1的測(cè)試結(jié)果側(cè)面說(shuō)明了動(dòng)力電池低溫加熱功能的重要性。

表1 動(dòng)力電池低溫充放電容量(1C）

動(dòng)力電池低溫加熱和保溫功能的設(shè)計(jì)要求：

(1)電池溫度為－20℃時(shí)，加熱到5℃的時(shí)間小于6 h；

(2)－20℃環(huán)境溫度下，常溫狀態(tài)的電池包擱置12 h，溫度下降≤20℃；

(3)－20℃環(huán)境溫度下，電池加熱系統(tǒng)可以維持電池溫度在10℃以上。

為滿足以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)動(dòng)力電池的低溫加熱系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。動(dòng)力電池低溫加熱系統(tǒng)的能量來(lái)源主要有兩種方式，如表2所示。

綜合對(duì)比兩種加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)標(biāo)市場(chǎng)上目前較為成功的量產(chǎn)車型——通用汽車的沃藍(lán)達(dá)和豐田公司的插電式普銳斯車型RESS的低溫加熱方案，選用通過(guò)充電機(jī)從電網(wǎng)取電方式作為動(dòng)力電池低溫加熱系統(tǒng)的加熱能量來(lái)源。通過(guò)車載充電機(jī)輸入給動(dòng)力電池的加熱能量，設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)為DC 330 V、峰值6 A的充電電流，該參數(shù)作為動(dòng)力電池低溫加熱/保溫系統(tǒng)的能量來(lái)源。

表2 動(dòng)力電池低溫加熱能量來(lái)源對(duì)比

2.1 RESS的動(dòng)力電池加熱模型

該款RESS的冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷，因此選用瞬態(tài)傳導(dǎo)方程建立動(dòng)力電池的加熱模型進(jìn)行仿真計(jì)算[5]。

式中：ρ為材料密度；cp為質(zhì)量定壓熱容；λ為熱導(dǎo)率；T為溫度；q為單位體積生熱率；q(t)為電池加熱時(shí)的熱流密度；ΔT為電池表面溫度和環(huán)境溫度的差值；h為電池表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)[6-8]。

表3為實(shí)驗(yàn)得到的鋰離子動(dòng)力電池計(jì)算參數(shù)。

表3 動(dòng)力電池的計(jì)算參數(shù)

2.2 RESS的動(dòng)力電池加熱方案

RESS的動(dòng)力電池加熱電路和充電電路呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電池低溫情況下充電的基本原則是先加熱再充電。當(dāng)充電機(jī)連通電網(wǎng)后，如果動(dòng)力電池需要充電，則RESS控制充電繼電器閉合，充電回路接通，開始充電；如果動(dòng)力電池溫度過(guò)低需要加熱，則RESS控制加熱繼電器閉合，加熱電路接通，動(dòng)力電池開始加熱。

動(dòng)力電池的加熱裝置采用并聯(lián)式加熱方法，以免加熱裝置分壓不均造成動(dòng)力電池加熱溫度不均勻，增大電池單體直接的溫差，造成電池之間的不一致性。

非液冷的RESS動(dòng)力電池的加熱方法主要有PTC(positive temperature coeddicient)加熱器法和電熱膜加熱器法兩種方式。

2.3 RESS的動(dòng)力電池PTC加熱器法

該方法的基本原理是在動(dòng)力電池模塊中不同電池單體之間增加加熱板，加熱板和PTC加熱器連接進(jìn)行加熱，加熱板通常采用鋁制，貼近電池單體一側(cè)，鋁制加熱板不能影響電池的散熱，同時(shí)還要盡量避免電池的絕緣問(wèn)題。在加熱器不工作的情況下，加熱板有利于動(dòng)力電池的輻射散熱，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池PTC和電熱膜加熱方案

2.4 RESS的動(dòng)力電池電熱膜加熱器法

動(dòng)力電池電熱膜加熱器法與PTC加熱器法相比，結(jié)構(gòu)類似，只是加熱方法有所不同。電熱膜選用1 mm厚度的FR4板材，兩面覆蓋銅膜，加熱電阻絲安裝在其中一面的銅膜內(nèi)，兩端引出電源線。銅膜的表面覆蓋有絕緣耐磨層。

表4是兩種加熱方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，可以看出，電熱膜加熱器法優(yōu)勢(shì)明顯，更適合作為動(dòng)力電池低溫加熱/保溫方法的首選。本文選擇電熱膜加熱器法作為RESS動(dòng)力電池的低溫加熱方法。

表4 動(dòng)力電池PTC加熱法和電熱膜加熱法對(duì)比

3 RESS動(dòng)力電池低溫加熱/保溫模擬仿真

利用建立的電池加熱模型進(jìn)行動(dòng)力電池的低溫加熱/保溫模擬仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置恒定加熱功率為1.65 kW，將動(dòng)力電池在－20℃的環(huán)境溫度下由同一個(gè)溫度值進(jìn)行加熱仿真計(jì)算，電池溫度達(dá)到5℃時(shí)終止計(jì)算；將動(dòng)力電池溫度設(shè)置為常溫25℃，設(shè)置環(huán)境溫度－20℃，啟動(dòng)加熱器進(jìn)行常溫保溫仿真計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為5 h，得到圖2所示的仿真結(jié)果。

圖2 動(dòng)力電池低溫加熱(上圖)和常溫保溫仿真(下圖)

由圖2可知，設(shè)計(jì)的電熱膜加熱裝置將動(dòng)力電池由低溫－20℃加熱到5℃需要約4 h，加熱器溫度和電池溫度上升曲線呈現(xiàn)接近線形變化趨勢(shì)；由圖2下圖仿真結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)5 h的保溫實(shí)驗(yàn)后，動(dòng)力電池溫度下降為17℃左右，加熱器溫度和電池溫度曲線呈現(xiàn)線形下降關(guān)系，由此可以推知RESS動(dòng)力電池加熱/保溫裝置能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 RESS動(dòng)力電池低溫加熱/保溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為方便采集動(dòng)力電池和加熱器溫度，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，采用10串的電池模塊作為實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行替代實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)電池模塊放入恒溫箱中，外接電池充放電設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電池的溫度采集位置為極耳位置。為驗(yàn)證前文分析的結(jié)論，電池低溫加熱實(shí)驗(yàn)采用PTC加熱法和電熱膜加熱法同時(shí)進(jìn)行。

4.1 電池低溫加熱/干燒實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)電池模塊放入(－20±2)℃的溫箱擱置12 h后，啟動(dòng)加熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，持續(xù)10 h后，得到圖3所示的PTC和電熱膜低溫加熱/干燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 動(dòng)力電池PTC和電熱膜低溫加熱/干燒實(shí)驗(yàn)

由圖3所示的結(jié)果可知，電熱膜低溫加熱的速度明顯快于PTC加熱器，電池溫度由－22℃加熱到5℃，PTC加熱器需要約4.9 h，而電熱膜加熱器僅需3.8 h；加熱約8 h后，PTC加熱器加熱的電池溫度不再上升，維持在43℃左右，此時(shí)PTC加熱器的溫度維持在53℃不再上升；電熱膜加熱器在約5 h后將電池加熱至52℃，電池溫度不再上升，電熱膜溫度約68℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也看出電熱膜加熱器的加熱效果明顯優(yōu)于PTC加熱器。兩種加熱方式在動(dòng)力電池溫度不再升高后，繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間干燒也不會(huì)造成加熱器的熱失控，同時(shí)動(dòng)力電池的最高溫度也在安全使用范圍內(nèi)，不會(huì)造成潛在的危險(xiǎn)。

4.2 電池散熱實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)用的電池模塊裝配好加熱器，放置在RESS的電池箱體內(nèi)部，安裝相應(yīng)的導(dǎo)流槽和引風(fēng)風(fēng)道，安裝冷卻風(fēng)扇并保證電池箱內(nèi)部的冷卻風(fēng)流向與電池模塊散熱片的方向平行，然后將箱體密封。在25℃的環(huán)境溫度下，將動(dòng)力電池充電至充電截止電壓，靜置足夠的時(shí)間到電池的溫度和環(huán)境溫度≤±2℃，設(shè)定冷卻風(fēng)流量4 m3/min，以2C的恒定電流(即80 A)放電至放電截止電壓，對(duì)比測(cè)試加裝了PTC散熱器和未加裝PTC散熱器的動(dòng)力電池模塊散熱情況，如圖4所示。

圖4 動(dòng)力電池電熱膜常溫散熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)

由表5中的數(shù)據(jù)可知，有了電熱膜加熱器后，動(dòng)力電池模塊的溫升要小于不加電熱膜加熱器的動(dòng)力電池溫升，這說(shuō)明電池模塊里面的加熱片在不加熱時(shí)，對(duì)于電池的散熱是有利的。

表5 動(dòng)力電池常溫散熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.3 電池常溫保溫實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)電池模塊放置在恒溫箱內(nèi)，設(shè)定常溫條件下擱置足夠長(zhǎng)的時(shí)間，等到電池的測(cè)量溫度≤(25±2)℃后，啟動(dòng)電熱膜進(jìn)行加熱工作，同時(shí)將恒溫箱的溫度設(shè)置為－20℃，開始實(shí)驗(yàn)，記錄電熱膜加熱器溫度、電池溫度和恒溫箱環(huán)境溫度，實(shí)驗(yàn)時(shí)間5 h，得到圖5所示的結(jié)果。

由圖5所示的測(cè)試結(jié)果可知，將恒溫箱的溫度設(shè)置為－20℃后，大約1.5 h后，恒溫箱內(nèi)部的環(huán)境溫度達(dá)到平衡，維持在－20℃左右波動(dòng)，電池溫度在電熱膜加熱器開啟后緩慢

圖5 動(dòng)力電池電熱膜常溫保溫實(shí)驗(yàn)

下降，在50 min后有明顯的下降，下降幅度在2℃左右，5 h保溫實(shí)驗(yàn)后，電池溫度達(dá)到平衡，維持在18℃左右，電熱膜加熱器溫度在36℃左右達(dá)到平衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

理論仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用電熱膜加熱器方案的RESS低溫加熱裝置，低溫加熱速度快，長(zhǎng)時(shí)間干燒也不會(huì)造成加熱器和動(dòng)力電池的損壞，加熱裝置不啟動(dòng)時(shí)不會(huì)影響到電池散熱，常溫保溫能夠?qū)㈦姵販囟染S持在較好的溫度范圍內(nèi)，并維持在良好的熱平衡狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)E-REV的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)RESS的低溫加熱需求，建立了低溫加熱模型，并根據(jù)此模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)了合適的低溫加熱裝置；

(2)對(duì)比PTC加熱器和電熱膜加熱器的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了電熱膜加熱器方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了對(duì)比分析的結(jié)果；

(3)動(dòng)力電池低溫加熱/干燒、電池散熱和電池常溫保溫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電熱膜加熱方案具有良好的低溫加熱效果，不會(huì)影響到電池模塊的散熱，而且具有良好的保溫性能。

本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)于動(dòng)力電池低溫加熱方法的研究有一定的參考意義。

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Research on heating method at low temperature of electric vehicle battery

LIU Cun-shan1,ZHANG Hong-wei2
(1.Dongguan Polytechnic,Dongguan Guangdong 523808,China;2.Guangzhou Vocational College of Technology&Business, Guangzhou Guangdong 511442,China)

In order to meet low temperature requirement for electric vehicle battery,battery low temperature heating model and scheme were built and designed based on heat transfer theory. Electric film heater was chosen by comparing the advantages and disadvantages of different low temperature heaters. The simulation and test result show that electric film heater has excellent heating effect,so does not affect cooling function of battery,and has good normal temperature preservation performance.

electric vehicle;heating at low temperature;electric film heater

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1645-03

2015-01-19

廣東教育研究院2014項(xiàng)目(GDJY-2014-B-b235)；東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目(JGXM2013101)

劉存山(1980—)，男，山西省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌嚭推嚬收显\斷。