液冷動力電池低溫加熱系統(tǒng)設(shè)計研究*

李罡，黃向東，符興鋒，楊勇

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

液冷動力電池低溫加熱系統(tǒng)設(shè)計研究*

李罡1,2?，黃向東2，符興鋒2，楊勇2

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

針對動力電池在低溫環(huán)境下無法直接進行充電的問題，以液冷動力電池系統(tǒng)為研究對象，在大量動力電池充放電數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合動力電池的低溫加熱和保溫需求，構(gòu)建了液冷動力電池包低溫加熱和保溫系統(tǒng)，設(shè)計了動力電池的充電和加熱流程.根據(jù)傳熱學(xué)原理，結(jié)合動力電池生熱計算理論公式，建立了動力電池的生熱仿真計算模型，利用仿真計算工作來模擬分析動力電池低溫加熱系統(tǒng)的加熱效果.通過在NEDC循環(huán)工況下的仿真和試驗，驗證了液冷結(jié)構(gòu)動力電池包低溫加熱系統(tǒng)很好地滿足了動力電池包低溫環(huán)境下的加熱和保溫要求，具有良好的應(yīng)用性.

電池；低溫加熱;保溫

動力電池是電動汽車重要的能量存儲裝置和動力來源，直接影響到整車的安全性使用性能.目前由于動力電池材料所限，動力電池的性能還無法滿足低溫和高溫環(huán)境下的使用要求，因此需要設(shè)計單獨的動力電池系統(tǒng)的溫度管理系統(tǒng)(Battery Thermal Management，BTM)來對動力電池進行安全監(jiān)控和有效管理，使得動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，同時避免動力電池單體長時間存在較大的溫差造成電池一致性的惡化，從而降低動力電池系統(tǒng)的性能，縮短電池的使用壽命[1-2].

相比風(fēng)冷和自然冷卻結(jié)構(gòu)動力電池包，液冷結(jié)構(gòu)的動力電池包具有更好的溫度均勻性、更高的冷卻效率和良好的NVH性能，特別是解決了風(fēng)冷結(jié)構(gòu)動力電池包箱體無法密封防水的問題，成為目前研究最熱門的動力電池包冷卻結(jié)構(gòu).

本文以一款液冷結(jié)構(gòu)的鋰離子動力電池包為研究對象，研究低溫情況下的動力電池加熱和保溫方法.

1 動力電池的低溫特性

試驗數(shù)據(jù)表明，動力電池的性能受溫度的影響非常明顯.以一款液冷電池包選用的三元功率能量兼顧型鋰離子動力電池為例，以SOC=50%為基準(zhǔn)，測試動力電池在不同環(huán)境溫度下，靜置20 h，以1 C的倍率進行充放電試驗，測試動力電池的充放電容量和持續(xù)10 s的充放電功率，得到如圖1所示的試驗結(jié)果.表1為動力電池低溫環(huán)境下容量和功率測試結(jié)果.

表1 動力電池低溫環(huán)境下容量和功率測試結(jié)果

由圖1和表1可知，在≤-30 ℃環(huán)境下，動力電池的容量和功率急劇降低，特別是充電容量和充電功率下降更加明顯.由-30 ℃的動力電池測試數(shù)據(jù)可知，雖然動力電池還有接近30%的可用放電容量和放電功率，但是可用的1 C充電容量和充電功率降為常溫的10%左右.低溫情況下，動力電池的充電能力下降尤其明顯.

動力電池理想的工作溫度范圍為10～35 ℃，在高溫環(huán)境下(≥45 ℃)，1 C充放電容量基本上可以和常溫保持一致，但是充放電功率明顯下降，說明在高溫環(huán)境下，動力電池內(nèi)部活性物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)速度加快，爆炸和起火的風(fēng)險增高，為保障動力電池的使用安全性和延長循環(huán)壽命，動力電池可用的充放電功率明顯降低.由此可知，設(shè)計動力電池包低溫加熱系統(tǒng)對于動力電池包在低溫環(huán)境下的使用性能有著極其重要的意義[3-4].

溫度/℃

2 動力電池低溫加熱、保溫要求和熱管理設(shè)計方案

為了滿足動力電池包的熱管理目標(biāo)，設(shè)計了如圖2所示的動力電池液冷系統(tǒng)，該款液冷動力電池包包括兩套冷卻回路.默認(rèn)的冷卻模式為慢冷模式，慢冷模式即電動水泵驅(qū)動冷卻液流經(jīng)電池表面進行熱循環(huán)的冷卻方式，消耗的散熱功率較小.只有在電池溫度T>40 ℃的情況下，才會啟動快冷模式，快冷模式是利用空調(diào)的冷媒流經(jīng)液液交換器的方式快速冷卻電池冷卻液，從而達到在很短的時間內(nèi)冷卻電池的目的.當(dāng)電池溫度T<30 ℃且環(huán)境溫度Ts<20 ℃時，退出快冷模式.

圖2 動力電池液冷系統(tǒng)控制原理圖

圖3為動力電池系統(tǒng)充電和加熱流程.當(dāng)充電槍插上并喚醒充電機時，如果電池系統(tǒng)和充電機自檢正常且沒有系統(tǒng)錯誤，則閉合充電回路繼電器，并判斷電池溫度.如果電池溫度T<-10 ℃，則先行啟動加熱回路，利用充電機提供的充電能源對動力電池進行加熱.在電池溫度升高到T>10 ℃時，退出加熱流程，電池系統(tǒng)進入充電模式，進行充電.電池低溫情況下充電的原則是先加熱，后充電.在連接充電槍的情況下，當(dāng)電池處于滿電狀態(tài)，電池溫度T<5 ℃且環(huán)境溫度Ts<-10 ℃時，動力電池系統(tǒng)進入保溫模式.

圖3 電池系統(tǒng)充電和加熱流程

為了滿足插電式混合動力汽車(Plug in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)低溫環(huán)境下的使用要求，整理提出液冷動力電池包的低溫加熱和保溫要求如下：

1)-30 ℃環(huán)境溫度下將動力電池冷卻液溫度升高到40 ℃的時間t<10 min；

2)動力電池包安裝在整車上，初始溫度為25 ℃，-20 ℃環(huán)境溫度下，8 h內(nèi)電池溫度的降幅Δt<10 ℃.

3 動力電池低溫加熱、保溫要求和熱管理設(shè)計仿真

為了能夠計算動力電池加熱效果和加熱能耗，選用瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程對動力電池的加熱系統(tǒng)進行建模，利用有限元法對電池不放電情況下的加熱進行仿真計算.

3.1 建立動力電池?zé)崞胶夥匠?/p>

動力電池的生熱行為分析可以選用下面的熱平衡方程計算[5-8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

電池的生熱包括化學(xué)反應(yīng)熱和焦耳熱.化學(xué)反應(yīng)熱qc和焦耳熱qJ的計算公式分別為：

qc=ΔG+TΔS+We

(6)

(7)

ΔG=ΔH-TΔS

(8)

ΔH=-nFE

(9)

(10)

式中：G為吉布斯自由能；H為焓；ΔS為電池內(nèi)部的熵變化；F=96 484.5 C/moL為法拉第常數(shù)；We為外界對于電池所做的功；n為參與化學(xué)反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移個數(shù)；i為電池的通過電流.

H=H0+ΔH

(11)

ΔH=βγ

(12)

(13)

式中：β為固液相變液體部分所占的體積分?jǐn)?shù)；γ=195kJ/kg為電池相變潛熱;Tm為電池材料的熔點.

3.2 動力電池的熱管理仿真分析模型

以上面的電池生熱模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建動力電池包的冷卻系統(tǒng)仿真分析模型，利用ANSYS軟件進行建模分析.該款PHEV動力電池包的液冷結(jié)構(gòu)如圖4所示.電池包液冷系統(tǒng)主要包含液冷板、管道、卡箍、集流板等部件，液冷板之間為串聯(lián)模式，液冷板內(nèi)部增加擾流小凸包擴大導(dǎo)熱面積，提高熱導(dǎo)率.冷卻接口管徑規(guī)格：外徑20 mm，內(nèi)徑17 mm.冷卻接口要求：鐓頭設(shè)計，鋁制、表面光潔、防銹蝕處理、具有防錯標(biāo)識，電池箱體內(nèi)部安裝有保溫棉.電池冷卻液為50%的乙二醇溶液.

圖4 冷卻系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖5為液冷板仿真的流速云圖.由圖5可知，液冷板上的冷卻管道設(shè)計為“S”型流動方式，且左右4塊液冷管道均為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，“S”型的設(shè)計保證了電池冷卻液和電池單體的表面進行充分的熱量交換，并聯(lián)結(jié)構(gòu)保證了每個不同部分的液冷板冷卻液溫度盡可能一致.仿真計算得到的流量最大差值為0.003 4，板間溫度差異性不大.

圖5 液冷板仿真的流速云圖

圖6為仿真計算得到的溫度場仿真結(jié)果.在35 ℃的環(huán)境溫度下，設(shè)定進水溫度298.5 K，進水流量值為0.166 8 kg/s，按照NEDC工況進行仿真計算，計算得到的電池溫升為2 ℃，單體最大溫差為1.6 ℃，滿足溫差設(shè)計要求，說明設(shè)計的液冷動力電池冷卻系統(tǒng)具有良好的溫度一致性.

動力電池包的熱仿真模擬工況選用NEDC循環(huán)工況，如圖7所示.

將50個連續(xù)NEDC模擬循環(huán)工況下的動力電池仿真數(shù)據(jù)作為電池生熱模型的設(shè)計輸入，仿真計算動力電池液冷系統(tǒng)的冷卻效果.設(shè)定電池初始溫度為25 ℃，電池冷卻液流速為10 L/min，進水溫度為20 ℃，系統(tǒng)壓力為0.04 MPa，經(jīng)30個連續(xù)循環(huán)工況后，電池溫度達到平衡，最高溫度為37 ℃，溫差為3 ℃.

圖7 熱仿真分析輸入工況

圖8為不同冷卻參數(shù)下熱仿真分析得到的電池溫升情況.由圖6可知，在不同的進水溫度和電池初始溫度下，啟動電池液冷系統(tǒng)，均可以將動力電池的工作溫度控制在較為理想的溫度范圍內(nèi).如果沒有電池液冷系統(tǒng)，動力電池的工作溫度將隨著循環(huán)工況的重復(fù)進行而不斷升高，最終升高到較為危險的溫度(>60 ℃)，由此可見，液冷電池系統(tǒng)對于維持動力電池始終工作在理想的工作溫度范圍內(nèi)是非常重要的[9-12].具體測試數(shù)據(jù)如表2所示.

圖8 熱仿真分析得到的電池溫度

表2 不同冷卻參數(shù)下動力電池溫升仿真計算情況

表2為不同冷卻參數(shù)下動力電池溫升仿真計算情況.由表2可知，無冷卻的情況下，動力電池溫度逐漸上升，最高溫度超過了動力電池的安全使用范圍；在有液冷情況下，電池最高溫度得到了有效的控制，進水溫度25 ℃情況下，電池最高溫升基本上在動力電池的理想工作溫度下，在進水溫度達到30 ℃時，無論電池初始溫度如何，液冷情況下電池最高溫度超過了動力電池的理想工作溫度，由仿真分析的結(jié)果可知，應(yīng)該盡量將電池冷卻液進水溫度控制在25 ℃以下.

圖9為熱仿真分析得到的電池液冷板溫度分布情況，其中冷卻液進口溫度為20 ℃，出口溫度23 ℃，最大溫差接近6 ℃.仿真分析的結(jié)果證明電池液冷系統(tǒng)滿足電池的冷卻要求.

圖9 熱仿真分析得到的液冷板溫度

3.3 動力電池低溫加熱和保溫仿真模型

圖10為低溫情況下動力電池?zé)岱抡嬗嬎憬Y(jié)果.將動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)問題假設(shè)為穩(wěn)態(tài)問題，采用分離式算法計算，分析模型設(shè)定為不可壓的常密度模型.電池初始溫度為-30 ℃，電池冷卻液入口溫度為10 ℃情況下，啟動電池低溫加熱系統(tǒng)，經(jīng)過約1 h的持續(xù)加熱，電池最高溫度達到10 ℃，電池最大溫差為1 ℃，滿足低溫加熱要求.

圖11為低溫加熱仿真結(jié)果.由圖11可知，整個低溫加熱過程中，電池的溫度剛開始呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的狀態(tài)，在接近10 ℃的附近，溫度上升速度放緩，逐漸達到10 ℃，加熱終止，進入保溫模式.圖8的仿真結(jié)果符合設(shè)計要求.

圖10 電池模組熱仿真結(jié)果

t/s

4 動力電池系統(tǒng)低溫加熱和保溫試驗

將液冷動力電池系統(tǒng)安裝在整車上，正確連接并高壓上電后，將車輛駛?cè)霗z測中心的步入式環(huán)境室進行實車試驗.低溫加熱試驗分別在環(huán)境溫度為-30，-20，-10和0 ℃下進行充電加熱試驗和車輛怠速加熱試驗.-30 ℃低溫加熱試驗結(jié)果如圖12所示.

由圖12可知，在低溫-30 ℃環(huán)境下，將車輛靜置24 h，以設(shè)定被加熱的電池最低溫度10 ℃為截止加熱條件，電池加熱器最大加熱功率設(shè)定為1.5 kW，給試驗車輛插上充電槍，啟動充電機，進行低溫充電和保溫試驗.電池加熱器啟動后，加熱器的功率穩(wěn)定在1.5 kW，加熱控制器獲得溫度傳感器的準(zhǔn)確溫度值需要一定的時間，因此在電池加熱器開始啟動時，測量得到的溫度值有一段時間的波動，在較短的時間內(nèi)得到加熱器出水口準(zhǔn)確溫度值后，隨著加熱時間的延長，加熱器出水口溫度持續(xù)上升，電池單體最低溫度由-30 ℃持續(xù)上升.當(dāng)電池單體達到10 ℃時，加熱過程結(jié)束，電池加熱器功率降為0，此時加熱器出水口溫度約為37 ℃，整個加熱過程持續(xù)約70 min. 其他環(huán)境溫度下的加熱測試結(jié)果如表3所示.

圖12 -30 ℃充電加熱試驗結(jié)果

表3 動力電池低溫加熱試驗結(jié)果

由表3可知，在不同環(huán)境溫度下，電池的加熱時間和環(huán)境溫度呈現(xiàn)接近于線性關(guān)系，在加熱器功率恒定的情況下，充電加熱和怠速加熱效率差不多；加熱器設(shè)定溫度越高，加熱時間越短.因此綜合多種試驗結(jié)果，并考慮電池加熱時的效率，最終設(shè)定的電池加熱器的溫度為60 ℃.

圖13 為-20 ℃環(huán)境溫度下，不插充電槍時，具有保溫材料的動力電池包在8 h內(nèi)溫度從25 ℃下降的試驗.由圖中可知，電池溫度下降過程基本呈線性下降趨勢，8 h后，電池溫度降為約18.4 ℃，滿足溫度下降Δt<10 ℃的設(shè)計要求.-20 ℃環(huán)境溫度下，滿電的動力電池靜置24 h(電池溫度-20 ℃)，插上充電槍后，動力電池開始低溫加熱，電池溫度呈現(xiàn)線性上升趨勢，加熱將近1.5 h后，電池溫度升高到10 ℃，低溫加熱過程結(jié)束，動力電池進入充電保溫模式，電池溫度基本維持在5 ℃左右波動，試驗過程和仿真分析結(jié)果類似，試驗測得的低溫加熱時間比仿真分析結(jié)果要長，分析原因是動力電池包在整車上的試驗環(huán)境較為復(fù)雜，影響了測試的準(zhǔn)確性.雖然存在一定的試驗誤差，但是整個試驗的結(jié)果還是相對準(zhǔn)確的，基本上反映了仿真計算的趨勢和結(jié)果.這個結(jié)果也從側(cè)面說明了電池溫度的累積增加是一個漸變的過程.

t/h

綜上所述，所有的試驗驗證項目證明，設(shè)計的PHEV用動力電池液冷系統(tǒng)基本上可以滿足電池的散熱要求，設(shè)計的電池低溫加熱和保溫模式滿足設(shè)計要求，具有較強的實用性.

5 結(jié) 論

本文針對應(yīng)用在PHEV上的動力電池包，根據(jù)動力電池的散熱要求、低溫加熱和保溫要求，設(shè)計了電池液冷系統(tǒng)，并對此進行了分析研究.

1)根據(jù)動力電池的低溫測試數(shù)據(jù)，結(jié)合電池的生熱計算模型，建立了動力電池的熱仿真計算模型；

2)利用有限元分析軟件，建模分析了液冷動力電池系統(tǒng)的熱管理能力、低溫加熱和保溫效果；

3)通過液冷電池包的實車驗證，證明了本文設(shè)計的液冷動力電池系統(tǒng)基本滿足設(shè)計要求，具有良好的熱管理性能.

本文的研究結(jié)果表明，液冷動力電池系統(tǒng)具有更好的熱管理平衡性，電池的溫度一致性好，低溫加熱性能和保溫性能佳，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性.本文的研究結(jié)果對于推動液冷結(jié)構(gòu)的動力電池在電動汽車上的應(yīng)用具有一定的參考意義.

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Design Research on Battery Heating and Preservation System Based on Liquid Cooling Mode

LI Gang1,2?, HUANG Xiangdong2, FU Xingfeng2, YANG Yong2

(1.School of Mechanical & Automotive Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510640，China; 2. Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group CO, LTD， Guangzhou 511434，China)

In order to solve the battery charge problem under low temperature, liquid cooling battery system was analyzed and studied, and thermal management with heating and preservation was designed. According to the battery low temperature test data and the requirement of battery heating and preservation, battery heating calculation model was proposed on the basis of the theory formula. The performance of battery heating system was studied by the proposed model. Optimization design of the liquid cooling control system was also investigated according to the analysis results. The results show that the liquid cooling battery management system exhibits excellent performance of low temperature heating and preservation.

battery; low temperature heating;preservation

1674-2974(2017)02-0026-08

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.02.004

2016-03-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2011AA11A218), National High Technology Research and Development Program of China (863 Program)(2011AA11A218);廣東省重大科技專項(00191350136655018), Major Science and Technology Projects of Guangdong Province(00191350136655018)

李罡(1972-)，男，湖南長沙人，華南理工大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人，E-mail: lg5671489@126.com

U467.1

A