48V動(dòng)力電池系統(tǒng)風(fēng)冷設(shè)計(jì)*

葛俊良，盧晨，黃武榮，黃祖朋，趙小羽

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48V動(dòng)力電池系統(tǒng)風(fēng)冷設(shè)計(jì)*

葛俊良，盧晨，黃武榮，黃祖朋，趙小羽

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

針對(duì)48V輕型混合動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)一種48V鋰離子電池包風(fēng)冷系統(tǒng)，通過(guò)在常溫（25℃）和高溫（45℃）環(huán)境下循環(huán)運(yùn)行實(shí)車(chē)采集的工況，模式實(shí)際道路情況并對(duì)比其溫升。結(jié)果表明風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻效果明顯，可以將動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度控制在正常的工作范圍內(nèi)。同時(shí)從降溫能力、壽命、風(fēng)扇噪音、成本等幾方面評(píng)估，該套風(fēng)冷系統(tǒng)具有較高性?xún)r(jià)比。

48V鋰離子電池；風(fēng)冷系統(tǒng)；溫升測(cè)試；壽命測(cè)試

引言

從新能源汽車(chē)開(kāi)始興起，48V技術(shù)就被屢次提及，根本原因在于國(guó)家有強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)：從2020年開(kāi)始，新車(chē)的平均油耗需要控制在5.0升/100公里以?xún)?nèi)，這對(duì)于絕大多數(shù)傳統(tǒng)燃油車(chē)來(lái)說(shuō)，是不可能實(shí)現(xiàn)的。唯一的辦法就是使用新能源動(dòng)力來(lái)加強(qiáng)傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)，目前比較可行是應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車(chē)上，用48V電氣系統(tǒng)+傳統(tǒng)12V電氣系統(tǒng)一起工作(微混)，在盡可能少的增加成本的前提下達(dá)到油耗標(biāo)準(zhǔn)[1]。

隨著鋰離子蓄電池技術(shù)的逐漸成熟，48V系統(tǒng)中的電池將由傳統(tǒng)車(chē)上12V所用的鉛酸蓄電池改為鋰離子電池，48V鋰電池的市場(chǎng)化應(yīng)用已經(jīng)是大勢(shì)所趨[2]。48V動(dòng)力電池屬于高功率型電池，充放電倍率可以達(dá)到20~30C，因此動(dòng)力電池系統(tǒng)的散熱至關(guān)重要。傳統(tǒng)冷卻方式有自然冷卻和液冷，自然冷卻靠導(dǎo)熱系數(shù)較低的空氣傳導(dǎo)，且自然對(duì)流較弱，因此其熱量散熱效率很低[3]。相對(duì)自然冷卻，液冷增加了冷卻管道、冷卻液、散熱片、換熱器、蒸發(fā)器、水泵等器件，散熱效果優(yōu)于前者，但是該冷卻方式需要增加大量器件，對(duì)48V電池來(lái)說(shuō)成本太過(guò)高昂。針對(duì)以上冷卻方式，文章提出一種風(fēng)冷系統(tǒng)，通過(guò)在電池包外部增加一臺(tái)風(fēng)扇的方式，對(duì)48V電池包鋁殼進(jìn)行散熱，從而將48V電池溫度控制在正常的工作范圍之內(nèi)。通過(guò)輸入實(shí)車(chē)采集的工況進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證其冷卻效果；同時(shí)從同時(shí)從壽命、風(fēng)扇噪音、成本等幾方面評(píng)估為48V動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 48V動(dòng)力電池風(fēng)冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

以某款車(chē)為例，完整的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)由電池模組（一個(gè)1P13S模組）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池箱體、上蓋、電氣件、線束以及冷卻風(fēng)扇組成[4]。其中，風(fēng)扇布置于電池箱體外部，電池箱體設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留風(fēng)扇安裝位置，風(fēng)扇采用類(lèi)似內(nèi)嵌的方式嵌入電池箱體中。這樣既保證了整個(gè)48V電池系統(tǒng)的完整性，又顯得美觀。

2 48V動(dòng)力電池風(fēng)冷系統(tǒng)與自然冷卻系統(tǒng)對(duì)比

本次試驗(yàn)中48V動(dòng)力電池系統(tǒng)分別在常溫25℃和高溫 45℃環(huán)境溫度下進(jìn)行溫升測(cè)試試驗(yàn)，模擬工況采用實(shí)車(chē)采集的工況進(jìn)行，如圖1所示。48V動(dòng)力電池系統(tǒng)工作溫度范圍為-30℃~60℃，當(dāng)對(duì)48V動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電時(shí)，溫度會(huì)隨之上升，當(dāng)溫度達(dá)到上限閾值時(shí)（36℃）開(kāi)啟風(fēng)扇，通過(guò)風(fēng)扇對(duì)48V電池包進(jìn)行冷卻；當(dāng)溫度降低到閾值以下時(shí)，關(guān)閉風(fēng)扇。風(fēng)扇由48V動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部的電池管理系統(tǒng)（BMS）進(jìn)行控制，依據(jù)采集的48V動(dòng)力電池溫度，用PMW方式對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行控制。采用CAN通訊方式，風(fēng)扇的相關(guān)狀態(tài)以及48V動(dòng)力電池溫度情況會(huì)通過(guò)CAN通訊上傳到CAN總線上，測(cè)試時(shí)可通過(guò)CAN工具進(jìn)行讀取相關(guān)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控48V動(dòng)力電池溫度以及進(jìn)行相關(guān)控制[5]，連接方式如圖2所示。

圖1 實(shí)車(chē)工況

圖2 測(cè)試連接方式

2.1 常溫下（25℃）測(cè)試溫升對(duì)比試驗(yàn)

48V動(dòng)力電池系統(tǒng)為1個(gè)1P13S模組，設(shè)置2個(gè)溫度采樣點(diǎn)。風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)帶冷卻風(fēng)扇，在48V動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度達(dá)到閾值時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)扇；自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)無(wú)冷卻風(fēng)扇。

（1）設(shè)定環(huán)境溫度25℃，48V動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度25℃，對(duì)帶風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10個(gè)實(shí)車(chē)工況循環(huán)，全程記錄48V動(dòng)力電池溫度系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)可用功率。循環(huán)結(jié)束時(shí)，停止試驗(yàn)，并對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，持續(xù)運(yùn)行10個(gè)實(shí)車(chē)工況，過(guò)程中最高運(yùn)行溫度43.4°C，小于限功率溫度點(diǎn)50℃。

圖3 25℃下帶風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)溫升情況

（2）設(shè)定環(huán)境溫度25℃，48V動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度25℃，對(duì)自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10個(gè)實(shí)車(chē)工況循環(huán)，全程記錄48V動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度以及實(shí)時(shí)可用功率。循環(huán)結(jié)束時(shí)，停止試驗(yàn)，并對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示，持續(xù)運(yùn)行10個(gè)實(shí)車(chē)工況，過(guò)程中最高運(yùn)行溫度55°C，其中48%時(shí)間超出限功率溫度點(diǎn)50℃。

圖4 25℃下自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)溫升情況

通過(guò)常溫下（25℃）的溫升測(cè)試對(duì)比，與自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)相比，帶風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)過(guò)程中最高溫度低11.6℃，且全程無(wú)限功率運(yùn)行情況；而自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)有48%時(shí)間處于限功率運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 高溫下（45℃）測(cè)試溫升對(duì)比試驗(yàn)

（1）將48V動(dòng)力電池系統(tǒng)放置在步入式恒溫箱內(nèi)，溫度調(diào)至45℃，待48V動(dòng)力電池溫度穩(wěn)定在45℃，將電池取出置于25℃環(huán)境下（以48V動(dòng)力電池存放于副駕座椅底下為實(shí)例，在天熱溫度下乘客很大概率會(huì)開(kāi)啟空調(diào)，故環(huán)境溫度設(shè)置為25℃）。由于起始溫度是 45℃，因此風(fēng)冷系統(tǒng)開(kāi)始是啟動(dòng)狀態(tài)。連續(xù)運(yùn)行10個(gè)實(shí)車(chē)工況循環(huán)，全程記錄48V動(dòng)力電池溫度系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)可用功率。循環(huán)結(jié)束時(shí)，停止試驗(yàn)，并對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示，持續(xù)運(yùn)行10個(gè)實(shí)車(chē)工況循環(huán)，過(guò)程中最高運(yùn)行溫度45.9°C，小于限功率溫度點(diǎn)50℃。

圖5 45℃下帶風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)溫升情況

（2）將48V動(dòng)力電池系統(tǒng)（自然冷卻）放置在步入式恒溫箱內(nèi)，溫度調(diào)至45℃，待48V動(dòng)力電池溫度穩(wěn)定在45℃，將電池取出置于25℃環(huán)境下（以48V動(dòng)力電池存放于副駕座椅底下為實(shí)例，在天熱溫度下乘客很大概率會(huì)開(kāi)啟空調(diào)，故環(huán)境溫度設(shè)置為25℃）。連續(xù)運(yùn)行10個(gè)實(shí)車(chē)工況循環(huán)，全程記錄48V動(dòng)力電池溫度系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)可用功率。循環(huán)結(jié)束時(shí)，停止試驗(yàn)，并對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示，持續(xù)運(yùn)行10個(gè)實(shí)車(chē)工況循環(huán)，過(guò)程中最高運(yùn)行溫度55°C，其中81%時(shí)間超出限功率溫度點(diǎn)50℃。

圖6 45℃下自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)溫升情況

通過(guò)高溫下（45℃）的溫升測(cè)試對(duì)比，與自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)相比，帶風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)過(guò)程中最高溫度低9.1℃，且全程無(wú)限功率運(yùn)行情況；而自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)有81%時(shí)間處于限功率運(yùn)行狀態(tài)。

基于以上對(duì)比試驗(yàn)可得：

風(fēng)冷方案：入風(fēng)口溫度25°C，初始溫度25°C、 45°C，均能夠以最大功率持續(xù)運(yùn)行。

自然冷卻：環(huán)境溫度25°C，基于當(dāng)前限流策略，初始溫度為25°C，持續(xù)運(yùn)行4個(gè)實(shí)車(chē)工況時(shí)，開(kāi)始限制功率；初始溫度為45°C，運(yùn)行NEDC工況，功率發(fā)揮持續(xù)受限制， 55°C時(shí)達(dá)到熱平衡。

2.3 暴曬后降溫能力對(duì)比情況

圖7 降溫速率對(duì)比

模擬在夏季暴曬后（電池初始溫度60°C)的情況下，對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)與自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行降溫測(cè)試，帶風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)降溫時(shí)間較自然冷卻縮短50%。結(jié)果如圖7所示。

2.4 壽命評(píng)估

運(yùn)行實(shí)車(chē)工況進(jìn)行仿真，按照每天4.5個(gè)循環(huán)進(jìn)行，按照表1中的輸入進(jìn)行模擬評(píng)估。結(jié)果如圖8所示：風(fēng)冷與自然冷卻均可以滿(mǎn)足10萬(wàn)公里要求，風(fēng)冷較自然冷卻壽命延長(zhǎng)17%。

表1 壽命預(yù)測(cè)評(píng)估條件

2.5 風(fēng)扇噪音對(duì)比測(cè)試

搭載實(shí)車(chē)測(cè)試，模擬最極端的條件，怠速關(guān)空調(diào)情況下進(jìn)行風(fēng)扇噪聲測(cè)試。通過(guò)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，有無(wú)電池風(fēng)扇噪聲，駕駛員耳旁聲壓級(jí)相差1.66dBA(315Hz~16000Hz)，且均在整車(chē)的目標(biāo)線之內(nèi)，測(cè)試數(shù)據(jù)與主觀感受均可接受，結(jié)果如圖9所示。

圖9 風(fēng)扇噪音對(duì)比測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述仿真測(cè)試以及實(shí)車(chē)試驗(yàn)分析可得以下結(jié)論：（1）在運(yùn)行實(shí)車(chē)采集的工況情況下，自然冷卻的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)在常溫下，有48%運(yùn)行時(shí)間超出限功率溫度點(diǎn)；在高溫下，有81%運(yùn)行時(shí)間超出限功率溫度點(diǎn)。帶風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)，不管是在常溫下還是高溫下，均處在限功率溫度點(diǎn)之下，全程能滿(mǎn)功率運(yùn)行，風(fēng)冷系統(tǒng)能有效地控制溫升。（2）從散熱的試驗(yàn)對(duì)比可得，帶風(fēng)冷系統(tǒng)的48V動(dòng)力電池系統(tǒng)降溫時(shí)間較自然冷卻縮短50%。（3）壽命方面，風(fēng)冷與自然冷卻均可以滿(mǎn)足10萬(wàn)公里要求，風(fēng)冷較自然冷卻壽命延長(zhǎng)17%。（4）通過(guò)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，有無(wú)電池風(fēng)扇噪聲，駕駛員耳旁聲壓級(jí)僅相差1.66dBA (315Hz~16000Hz)，且均在整車(chē)的目標(biāo)線之內(nèi)。測(cè)試數(shù)據(jù)與主觀感受均可接受。（5）成本方面，該風(fēng)扇成本低廉，市場(chǎng)售價(jià)在30~40元，且由48V動(dòng)力電池系統(tǒng)的BMS進(jìn)行控制，無(wú)需額外增加其他部件。

[1] 王震,哈迪,張威威.48V微混系統(tǒng)降低油耗策略分析[J].汽車(chē)技術(shù),2017(2).

[2] 趙冬昶,王昊,禹如杰.48V汽車(chē)電氣系統(tǒng)怠速啟停技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)分析[J].汽車(chē)工業(yè)研究,2015,30(10) : 41-47.

[3] 楊金相,張?jiān)?張浩.一種動(dòng)力電池系統(tǒng)的液冷方案設(shè)計(jì)與溫升測(cè)試[J].設(shè)計(jì)研究,2018(6):125-127.

[4] 王芳,夏軍.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2017.

[5] 賈小龍.48V鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州:蘇州大學(xué), 2014.

Design of air cooling scheme for a 48V power battery system*

Ge Junliang, Lu Chen, Huang Wurong, Huang Zupeng, Zhao Xiaoyu

( SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007 )

For 48V light hybrid electric vehicle design a 48V lithium ion battery pack air cooling system, through the in room temperature (25℃) and high temperature (45℃) run a real car collection cycle in the environment condition, model the actual road conditions and compared its temperature rise. The results show that the cooling effect of the air cooling system is obvious and the temperature of the power battery system can be controlled within the normal operating range. At the same time from the electrical performance, life, fan noise, cost and other aspects of the evaluation, that the set of air cooling system has a high cost performance.

48V lithium battery; Air cooling system; Temperature rise test; Life test

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.001

U469.7

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1671-7988(2019)10-03-04

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葛俊良（1990.06-），男，廣西桂林人，新能源電池工程師，就職于上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)動(dòng)力電池及電池管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

廣西科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（桂科AC16380043）；柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016B020101）。