動(dòng)力電池液冷液熱系統(tǒng)的應(yīng)用研究

(上汽大通汽車有限公司，上海 200438)

0 前言

動(dòng)力電池作為新能源汽車(純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池)的核心部件，目前主流的動(dòng)力電池多選用三元或磷酸鐵鋰電池，因其本身特性使續(xù)航里程和使用壽命直接制約了新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展[1]。尤其是鋰電池容易受環(huán)境溫度變化的影響而無法正常工作。在高溫環(huán)境下(45 ℃以上)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，其使用壽命會(huì)急劇縮短，同時(shí)影響整車安全性。在低溫環(huán)境下(0 ℃以下)其充放電容量又會(huì)大幅度降低，使車輛無法工作。隨著新能源汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，動(dòng)力電池的熱管理需求逐步提高，液冷方案已經(jīng)逐漸替代了強(qiáng)制風(fēng)冷和自然冷卻方案，并成為主流冷卻方案[2]。在動(dòng)力電池高溫工作穩(wěn)定性問題得到較好解決后，如何在電池液冷方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，解決動(dòng)力電池低溫條件下的性能衰減問題，已成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。

本文針對(duì)某款混合動(dòng)力汽車用三元電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合電池冷卻系統(tǒng)和整車空調(diào)采暖系統(tǒng)重新優(yōu)化整合了1套能在冬季氣候條件下有效縮短電池充電時(shí)間，并提升車輛運(yùn)行時(shí)電池性能的電池加熱系統(tǒng)方案。經(jīng)過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

1 三元?jiǎng)恿﹄姵氐臒崽匦?/h2>

1.1 三元?jiǎng)恿﹄姵氐淖罴咽褂脺囟?/h3>

動(dòng)力電池的循環(huán)壽命與使用溫度密切相關(guān)，實(shí)際上無論是三元電池還是磷酸鐵鋰電池，其最佳工作溫度范圍均為15～35 ℃[3]。隨著溫度的升高或降低，偏離最佳工作溫度越遠(yuǎn)，動(dòng)力電池的充放電性能的下降就越明顯。圖1為某款三元?jiǎng)恿﹄姵卦诓煌瑴囟认碌姆烹娦阅艿淖兓涑潆娨渤尸F(xiàn)同樣的特征。

圖1 不同溫度下某電池放電性能曲線

1.2 三元?jiǎng)恿﹄姵馗邷叵碌难h(huán)壽命

過高的工作溫度不但會(huì)降低電池的充放電性能，還會(huì)大幅度降低三元?jiǎng)恿﹄姵氐难h(huán)使用壽命。該款三元?jiǎng)恿﹄姵卦?5 ℃環(huán)境下工作時(shí)，其2 000次循環(huán)充放后的容量保持率為86.8%，環(huán)境溫度上升到35 ℃時(shí)，其2 000次循環(huán)充放后的容量保持率為85.4%，如圖2所示。鋰電池的循環(huán)使用壽命變化隨著溫度升高先呈現(xiàn)小幅度下降，當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)上升至45 ℃左右時(shí)出現(xiàn)明顯下降，到達(dá)55 ℃左右時(shí)出現(xiàn)斷崖式大幅度下降，圖3為隨著溫度上升該動(dòng)力電池循環(huán)充放電至80%容量保持率的循環(huán)次數(shù)變化曲線，在45 ℃和60 ℃時(shí)分別出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。

圖2 某動(dòng)力電池35 ℃環(huán)境下的容量衰減曲線

為了使動(dòng)力電池能在較高的環(huán)境溫度下依舊能正常工作并保障其安全性和較長(zhǎng)的使用壽命，高效的電池冷卻系統(tǒng)必不可少。目前，強(qiáng)制液冷系統(tǒng)是三元?jiǎng)恿﹄姵乩鋮s方案的主流，可以確保動(dòng)力電池即使在40 ℃以上的環(huán)境下仍能維持正常工作，使用壽命幾乎不受影響。

1.3 低溫下的充電特性

與高溫一樣，低溫環(huán)境也會(huì)極大地影響鋰電池的充放電性能。在冬季時(shí)，充電時(shí)間會(huì)明顯變長(zhǎng)，車輛行駛過程中動(dòng)力電池性能大幅度衰減。在某些極端情況下(如氣溫低于-10 ℃時(shí))，由于低溫限制了動(dòng)力電池允許的充電電流，少量的充電電流帶來的電池自發(fā)熱完全不能使電池升溫到允許大電流充電的要求溫度，動(dòng)力電池就無法繼續(xù)充電，用戶將面臨車輛無法工作的問題。表1為某款三元?jiǎng)恿﹄姵卦诘蜏貤l件下允許的充電電流限制?？梢园l(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度為-10 ℃以下時(shí)電池只能以非常低的電流進(jìn)行充電，使得充電完成時(shí)間大幅度增加。

1.4 動(dòng)力電池生熱功率模型

為了對(duì)電池?zé)嵝阅苓M(jìn)行分析就必須對(duì)電池充放電過程的生熱狀態(tài)進(jìn)行研究。由于電池生熱速率很難精確測(cè)量，因此普遍采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。其中美國(guó)伯克利大學(xué)D.BEMARDI提出Bemardi方程作為電池生熱速率方程，該公式如下

(1)

2 混合動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

2.1 動(dòng)力電池冷卻方式

目前，常見的動(dòng)力電池冷卻方式主要有自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷和強(qiáng)制液冷。其中自然冷卻由于冷卻效果不佳，主要運(yùn)用在冷卻需求不高的一些磷酸鐵鋰動(dòng)力電池上。而三元電池由于能量密度高，瞬間發(fā)熱量大，普遍采用強(qiáng)制風(fēng)冷或強(qiáng)制液冷。常見的強(qiáng)制風(fēng)冷或強(qiáng)制液冷冷卻結(jié)構(gòu)如圖4所示，其關(guān)鍵是冷卻介質(zhì)的不同，帶來的冷卻效果差別很大，強(qiáng)制液冷具有更好的冷卻效果，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

2.2 動(dòng)力電池強(qiáng)制液冷方案

整車開發(fā)中，為了更好地利用布置空間并降低物料成本，電池?zé)峁芾淼囊豪湎到y(tǒng)往往和乘客艙空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行集成。利用1個(gè)專用的熱交換器實(shí)現(xiàn)電池冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)與空調(diào)系統(tǒng)換熱，其工作原理見圖5。即使在40 ℃以上的環(huán)境溫度下，這套系統(tǒng)能穩(wěn)定地將電池包內(nèi)溫度控制在25～35 ℃范圍內(nèi)，且不同位置的電芯溫差小于5 ℃。

圖5 電池冷卻系統(tǒng)與乘客艙空調(diào)系統(tǒng)集成示意圖

2.3 基于液冷方案的電池加熱方案

動(dòng)力電池加熱方案，目前行業(yè)內(nèi)普遍采用在電池包內(nèi)布置電加熱膜或者正溫度系數(shù)(PTC)加熱器2種方案[4]。但對(duì)于具備圖5結(jié)構(gòu)的液冷系統(tǒng)的動(dòng)力電池而言，再在電池包內(nèi)部增加加熱膜和PTC加熱器不僅缺乏效率，又會(huì)因?yàn)閺?fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制策略導(dǎo)致其面臨失效風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)熱交換器的升級(jí)，在原來空調(diào)制冷劑和電池包冷卻液熱量交換的基礎(chǔ)上增加了整車采暖系統(tǒng)的熱交換裝置。可以利用車輛上用以供暖的高壓PTC裝置來實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，這樣既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又大幅度降低了整車成本。實(shí)際使用時(shí)，在車輛行駛前的充電過程中，采暖用高壓PTC通過充電樁電源同步加熱動(dòng)力電池支持充電，同時(shí)還能為乘客艙暖風(fēng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)(插電式混合動(dòng)力)進(jìn)行預(yù)熱，既強(qiáng)化了動(dòng)力性又改善了舒適性。

對(duì)于采用電池液冷方案的新能源純電動(dòng)汽車也可以采用該方案，只需要將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路從圖6系統(tǒng)中去除。

圖6 電池加熱/冷卻系統(tǒng)與乘客艙空調(diào)采暖系統(tǒng)集成示意圖

2.4 電池加熱方案的控制方式

整車在插槍開始充電時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停止工作狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)(BMS)根據(jù)環(huán)境和動(dòng)力電池內(nèi)部溫度判斷是否起動(dòng)電池加熱功能。電池加熱功能起動(dòng)后，在圖6系統(tǒng)中，通過充電設(shè)備取電，高壓PTC開始工作，電子調(diào)節(jié)閥A和電子調(diào)節(jié)閥B相繼運(yùn)作，確保PTC暖水回路中的液體不再流經(jīng)PHEV發(fā)動(dòng)機(jī)和乘客艙散熱器，僅流經(jīng)熱交換器。同時(shí)，電池冷卻液循環(huán)中的電子水泵也開始工作，促使動(dòng)力電池內(nèi)部換熱升溫。當(dāng)電池溫度上升至一定范圍內(nèi)，通過BMS和相關(guān)控制器控制，高壓PTC和電子水泵停止工作，電子調(diào)節(jié)閥A和電子調(diào)節(jié)閥B復(fù)位，整車?yán)^續(xù)正常充電。

3 電池加熱方案的驗(yàn)證和優(yōu)化

3.1 電池加熱方案的模擬仿真分析

根據(jù)整車相關(guān)部件性能參數(shù)，對(duì)溫度環(huán)境-30 ℃以下的動(dòng)力電池進(jìn)行持續(xù)加熱，其中電池冷卻液循環(huán)進(jìn)口流量為12 L/min，高壓PTC升溫功率為3 kW(受車載充電機(jī)功率限制)，經(jīng)過20 min的加熱后，電池內(nèi)部溫度分部如圖7所示。此時(shí)電池內(nèi)部加熱板(即冷卻水板)進(jìn)口溫度上升至46.4 ℃，出水口溫度為42.8 ℃，進(jìn)出水口溫相差3.6 ℃。

圖7 電池加熱20 min后電池模組溫度分布示意圖

根據(jù)動(dòng)力電池充電前加熱仿真分析結(jié)果，在溫度環(huán)境-30 ℃下，加熱20 min后，動(dòng)力電池內(nèi)部平均溫度可到達(dá)20 ℃左右，已經(jīng)可以滿足全負(fù)荷的充電需求。但仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際往往會(huì)有一定偏差，需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 低溫情況下整車試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)客戶的使用需求，整車充電試驗(yàn)設(shè)定了2種不同的工況。

(1)在低溫-30 ℃環(huán)境下，通過一段時(shí)間的加熱，電池內(nèi)溫度是否能滿足充電要求，其結(jié)果見表2，平均溫度到達(dá)15 ℃，基本滿足設(shè)計(jì)期望。

(2)在低溫-10 ℃環(huán)境下，對(duì)比加熱系統(tǒng)工作和不工作狀態(tài)，及對(duì)充電時(shí)間的影響，其結(jié)果見表3。電池滿充時(shí)間縮短了近40%，基本滿足設(shè)計(jì)期望。

表2 環(huán)境溫度低于-30 ℃下某電池加熱后內(nèi)部溫升

表3 環(huán)境溫度低于-10 ℃下某電池充電情況

3.3 低溫情況下整車充電方案的優(yōu)化

通過整車試驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)境溫度在-30 ℃和-10 ℃的效果，基本滿足設(shè)計(jì)期望，也驗(yàn)證了仿真模型和算法的合理性。同時(shí)也暴露了一些問題，其中最為關(guān)鍵的問題在于充電過程中加熱的時(shí)間順序上。多次試驗(yàn)結(jié)果表明，先集中加熱再充電的效果是最好的，但在實(shí)際使用中，如果發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間電池加熱沒有進(jìn)入充電狀態(tài)，或者用戶進(jìn)行緊急短程使用的話，反而無法達(dá)到滿意效果。因此，針對(duì)電池充電過程中的加熱時(shí)間順序進(jìn)行了進(jìn)一步的研究和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了加熱—充電—加熱—充電交替進(jìn)行的策略。雖然最終效果，比集中加熱后再充電增加了約10%的時(shí)間，但相比沒有加熱功能的情況，解決了環(huán)境溫度在-30 ℃下無法充電的問題，同時(shí)在環(huán)境溫度為-10 ℃條件下縮短了35%的充電時(shí)間，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。