換電運營電動汽車動力電池熱管理技術分析

劉寧 趙丹偉

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司）

隨著能源枯竭和環(huán)境污染問題的加劇[1]，電動汽車作為一種清潔、高效、低污染的新能源汽車，受到人們越來越多的重視[2]。但是電動汽車的發(fā)展還存在很多瓶頸，特別是動力電池的技術性能突破受到許多外界條件的限制，尤其是熱管理性能的制約，而熱管理性能是影響動力電池性能至關重要的因素[3]。過高的溫度會導致電池的容量、壽命和能量效率的降低[4]，若電池積聚的熱量無法及時散出，會導致熱失控的產(chǎn)生，嚴重時電池有發(fā)生劇烈膨脹和爆炸的危險[5]。所以，針對電動汽車動力電池熱管理技術的研究，是非常有必要的。文章從動力電池導熱結構上展開研究，基于仿真模型，分析了不同整車工況下?lián)Q電運營電動車動力電池的溫度變化情況，為提升電動汽車動力電池熱管理性能提供一定的技術參考。

1 電動汽車電池熱管理技術

通常來說，電動汽車動力電池熱管理技術主要包括三大方面：冷卻、加熱及保溫[6]。其中，冷卻熱管理技術的基本技術路線有：以空氣為介質(zhì)的熱管理技術（簡稱風冷），以液體為介質(zhì)的熱管理技術（簡稱液冷），以制冷劑為介質(zhì)的熱管理技術（簡稱直冷），以相變材料為介質(zhì)的熱管理技術（簡稱相變冷卻）。冷卻熱管理技術的應用場合根據(jù)動力電池產(chǎn)熱率和溫度環(huán)境的不同而不同。對于動力電池產(chǎn)熱率較小、工作溫度較低的電動汽車而言，可以考慮采用風冷技術，其主要包括自然冷卻和強制風冷。

目前，對于電動汽車，電能補給模式主要有交流慢充、直流快充和電池快速更換3 種。其中，采用電池快速更換的電動汽車，電池充電主要在換電站中進行，這種模式既能滿足車輛運行需求，又能避免電池快充對壽命產(chǎn)生影響[7]。換電運營電動車由于運營工況較好、電池包整體溫升較小，同時考慮到動力電池在頻繁拆換過程中，自然冷卻系統(tǒng)結構簡單、技術成熟可靠、成本低、安全無泄漏及便于維護的優(yōu)點，所以文章主要對動力電池包自然冷卻熱管理技術進行研究。

2 仿真模型的建立及驗證

對于自然冷卻形式的電池包溫度的控制，主要是通過電池包內(nèi)導熱介質(zhì)將模組內(nèi)電芯產(chǎn)生的熱量傳導到電池包外部，從而降低電芯溫度，提升電池的容量、壽命及能量效率。圖1 示出電動汽車電池包導熱結構形式對比。電池包內(nèi)導熱方式，如圖1a 所示，即電池模組與箱體之間，除了一些支撐金屬件外，主要為空氣層材料，電芯的發(fā)熱量通過模組傳遞給空氣層，空氣層再經(jīng)過箱體后，熱量傳遞到電池包外。文章在電池包內(nèi)設計一種新的導熱方式，如圖1b 所示，即在電池模組和電池下箱體之間覆蓋一層導熱硅膠，電芯的發(fā)熱量通過模組傳遞給導熱硅膠，再經(jīng)過箱體后，熱量傳遞到電池包外，由于導熱硅膠良好的導熱特性，模組內(nèi)的熱量能更好地散出電池包外。

圖1 電動汽車電池包導熱結構形式對比圖

根據(jù)某車型及其動力電池包數(shù)據(jù)，建立整車及動力電池熱仿真模型，如圖2所示。

圖2 整車及動力電池熱仿真模型顯示界面

為驗證仿真模型的正確性，文章前期調(diào)研了換電運營電動汽車的實際運行工況，并設計了運行工況[8]，如圖3所示。在此運行工況下，通過試驗對普通結構和導熱結構的電池包進行充放電測試，得到2 種結構形式動力電池的溫度變化曲線，并與相應的電池熱仿真模型溫度結果進行對比，對比結果，如圖4所示。

圖3 換電運營電動汽車運行工況示意圖

圖4 電動汽車不同結構形式動力電池仿真與實測溫度變化曲線圖

通過仿真結果與實測結果對比，可以發(fā)現(xiàn)導熱結構與普通結構電池熱仿真結果與實測數(shù)據(jù)溫度變化趨勢一致。在放電終止時刻，導熱結構電池包電芯實測溫度為40.34 ℃，仿真溫度為40.56 ℃；普通結構電池包電芯實測溫度為34.25 ℃，仿真溫度為34.40 ℃。在充電終止時，導熱結構電池包電芯實測溫度為38.84 ℃，仿真溫度為38.75 ℃；普通結構電池包電芯實測溫度為40.32 ℃，仿真溫度為40.42 ℃?？梢钥闯?，實測溫度與仿真溫度結果相差不大，最大差值僅為0.25 ℃，說明文章中所建立的仿真模型能真實地反映換電運營電動汽車運行過程中電池電芯的實際溫度變化情況。

3 不同車輛運行工況下動力電池熱仿真計算

基于建立的仿真模型，為分析換電運營電動汽車電池包導熱結構與普通結構對電池包電芯溫度的影響，按照企業(yè)標準要求，在城市工況及爬坡工況下，仿真對比2 種結構形式動力電池的溫度變化結果。

3.1 城市工況下?lián)Q電電池熱仿真計算

城市工況下，換電運營電動車的實際工況和環(huán)境溫度變化，如圖5所示。城市工況按2 天進行，1 天中分為2 段WLTC 工況運營過程及2 段充電過程，其中WLTC 工況運營過程持續(xù)6 h。充電過程中，電池包從電動車換下后，置于換電站25 ℃環(huán)境中，持續(xù)2.5 h，最后經(jīng)歷室外過夜的過程，此時電池包處于7 h 靜置狀態(tài)。第2 天，電動汽車重復前一天的運營過程。電動汽車運營過程中，環(huán)境溫度的變化根據(jù)運營當?shù)氐臏囟茸兓M行設置。

圖5 換電運營電動汽車城市運行工況及對應環(huán)境溫度變化曲線圖顯示界面

圖6 示出城市運行工況下不同結構形式動力電池溫度變化曲線。從圖6 可以看出，在第1 天的初始WLTC 工況中，由于外界環(huán)境溫度較高，導熱結構電池包平均溫度比普通結構略高一些。充電過程中，電池包從電動汽車上拆下后置于換電站中，換電站環(huán)境溫度為25 ℃，溫度較低，導熱結構電池包由于導熱性較好，電芯平均溫度較普通結構下降快。在室外過夜過程中，由于靜置時間較長，環(huán)境溫度較低，導熱結構電池包電芯平均溫度下降較快，溫度較普通結構電池包更低。在2 天的運行工況中，經(jīng)歷第1 次充電過程后，導熱結構電池包電芯平均溫度均低于普通結構。其中，導熱結構電池包電芯平均溫度最高值出現(xiàn)在第2 天第1 個WLTC 工況終止時刻，為41.7 ℃。普通結構電池包電芯的平均溫度出現(xiàn)在第2 天第2 個充電過程中，為53.02 ℃。通過對比發(fā)現(xiàn)，在電動車運營過程中，導熱結構電池包相較于普通結構，電芯平均溫度下降更快，且溫度普遍較低，有利于換電運營電動車動力電池安全性能及壽命的提升。

圖6 城市運行工況下電動汽車不同結構形式動力電池溫度變化曲線圖

3.2 爬坡工況下?lián)Q電電池熱仿真計算

對爬坡工況下的換電運營電動車動力電池發(fā)熱情況進行仿真，如表1所示。

表1 換電運營電動車動力電池爬坡工況條件參數(shù)表

在2 種爬坡工況下，導熱結構與普通結構動力電池溫度變化曲線，如圖7所示。按動力電池SOC 由95%降到5%的持續(xù)時間進行計算。從圖7 可以看到，爬坡工況2 由于工況條件比較苛刻，持續(xù)時間較爬坡工況1短，而溫升遠高于爬坡工況1。爬坡工況1 中，初始放電時間段內(nèi)導熱結構與普通結構電池包電芯平均溫度差距較小，持續(xù)時間越長差距越大，截止到放電終止時刻（4 604 s），導熱結構電池包電芯平均溫度為42.53 ℃，普通結構電池包電芯平均溫度為43.17 ℃；爬坡工況2中，放電時間段內(nèi)導熱結構與普通結構電池包電芯平均溫度差距變化趨勢與爬坡工況1 一致，截止到放電終止時刻（2 476 s），導熱結構電池包電芯平均溫度為47.71 ℃，普通結構電池包電芯平均溫度為48.44 ℃。

圖7 電動汽車爬坡運行工況下不同結構形式動力電池溫度變化曲線圖

綜合來看，爬坡工況下，由于持續(xù)時間較短，導熱結構與普通結構電池包電芯平均溫度差異較小。放電過程中，電芯發(fā)熱量一定，而導熱結構電池包由于散熱能力較好，電芯平均溫度會低于普通結構電池包。所以，爬坡工況下導熱結構電池包會優(yōu)于普通結構電池包，因為其較低的電芯工作溫度，會提升換電運營電動車動力電池的安全性能及壽命。

4 結論

對于換電運營電動汽車，由于運營工況較好，電池包整體溫升較小，同時考慮到動力電池在頻繁拆換過程中，需要保證更加成熟可靠的技術及安全性能，采用自然冷卻熱管理方式的動力電池是一種較好的選擇?；诖?，不同于普通結構形式電池包，文章提出了一種新的動力電池導熱結構形式。根據(jù)提出的導熱結構與普通結構，建立了相應的仿真模型，并按照設定工況，進行了仿真計算與試驗測試。通過仿真與試驗結果對比，在仿真模型正確性得到驗證的基礎上，按照企業(yè)標準要求，對城市工況及爬坡工況下2 種結構形式動力電池的溫度變化結果進行了仿真對比。

根據(jù)仿真結果可以得到，相較于普通結構，導熱結構電池包由于介質(zhì)導熱性能較好，所以整包散熱性能較好，電芯平均溫度較低，有利于動力電池安全性能的提高和壽命的延長，對換電運營電動車動力電池包的設計具有較高的參考意義。