低溫加熱策略對(duì)動(dòng)力電池快充時(shí)間影響分析

馬廣青 熊飛 朱林培

摘 要：為保證純電動(dòng)汽車低溫性能，低溫下需對(duì)動(dòng)力電池制定有效的加熱措施。文章基于Amesim，建立了某款動(dòng)力電池系統(tǒng)冷卻液加熱模型。對(duì)比分析了低溫下定目標(biāo)水溫與變目標(biāo)水溫對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)快充時(shí)間、溫差、能耗影響，快充SOC5%-95%定目標(biāo)水溫快充時(shí)間比變目標(biāo)水溫快約21min，電池包最大溫差增加3℃，能耗增加0.42kWh。在次基礎(chǔ)上分析了不同定目標(biāo)水溫對(duì)動(dòng)力電池性能影響，定目標(biāo)水溫每增加10℃，快充時(shí)間減少2-3min，電池包最大溫差增加約1℃。最后對(duì)比了降檔策策略對(duì)快充時(shí)間影響，直接降檔與關(guān)閉加熱器降檔快充時(shí)間、電池包最大溫差基本相同，能耗減小5.6%，檔位波動(dòng)次數(shù)減小37%。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;低溫加熱;快充時(shí)間;仿真分析

Abstract： In order to ensure the low temperature performance of electric vehicles， effective heating measures should be made for the power battery at low temperature. Based on Amesim， the coolant heating model of a power battery system was established. The effects of fixedcoolant target temperature and variable coolanttarget temperature on DC charging time， temperature difference and energy consumption of power battery system are analyzedat low temperature， the DC charging time of fixed coolant target temperature is about 21min faster than that of variable coolant target temperature， the maximum temperature difference of the battery pack increases by 3℃， and the energy consumption increases by0. 42kWh. Then， the influence of different target coolant temperature on the performance of power battery is analyzed， for every 10℃ increase of target coolant temperature， the DC charging time decreases by 2-3min， and the maximum temperature difference of battery pack increases by about 1℃. Finally， the paper compares the effect of downshift strategy of the heater on DC charging time， the direct downshift compared with off heater downshiftthe DC charging time and the maximum temperature difference of the battery pack are same， the energy consumption is reduced by 5.6% and the number of gear fluctuations is reduced by 37%.

Keywords： Power battery; Low temperature heating; DC charging time; Simulation analysis

前言

近年來(lái)隨著化石能源的日益消耗，人們環(huán)保意思的提高，相對(duì)傳統(tǒng)汽車產(chǎn)生CO、HC及NOX、微粒、臭氣等排氣污染，純電動(dòng)汽車作為一種無(wú)污染、低噪聲、能源效率高的新型交通工具，越來(lái)越受到人們的關(guān)注及應(yīng)用。動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一，其性能表現(xiàn)直接影響純電動(dòng)汽車的整車性能。溫度對(duì)動(dòng)力電池尤其三元鋰離子動(dòng)力電池工作特性產(chǎn)生影響，高溫下動(dòng)力電池循環(huán)壽命減低、充放電功率受限、充電時(shí)間延長(zhǎng);低溫下動(dòng)力電池內(nèi)部活性物質(zhì)顯著下降，電池內(nèi)阻增加、充放電功率及容量明顯降低，極端情況下，可導(dǎo)致動(dòng)力電池?zé)o法充放電等情況，溫度對(duì)動(dòng)力電池的影響，造成整車壽命下降、充電時(shí)間延長(zhǎng)、續(xù)駛里程下降，尤其低溫下影響顯著[電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)嵝阅芊抡嫜芯縘。為了保證純電動(dòng)汽車高低溫性能，需要對(duì)動(dòng)力電池制定有效的熱管理措施，包括高溫下冷卻，低溫下加熱。本文基于三元鋰離子電池，研究低溫下加熱策略對(duì)充電時(shí)間及能耗影響。

1 加熱方式

目前動(dòng)力電池低溫加熱主要有風(fēng)加熱、冷卻液加熱、加熱膜（或加熱片、加熱絲）加熱及動(dòng)力電池自充放電加熱。風(fēng)加熱是指以熱空氣作為介質(zhì)直接流經(jīng)動(dòng)力電池達(dá)到加熱目的，風(fēng)加熱又分自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流，一般采用強(qiáng)制對(duì)流通過(guò)風(fēng)扇將熱風(fēng)輸送到電池箱體，與動(dòng)力電池產(chǎn)生熱交換。冷卻液加熱即以冷卻液作為介質(zhì)加熱動(dòng)力電池的方法。加熱膜加熱是指在動(dòng)力電池表面增加加熱膜，加熱膜通電將熱量傳給電池包從而達(dá)到加熱目的。電池自加熱是指利用動(dòng)力電池本身內(nèi)阻，給動(dòng)力電池通一定電流產(chǎn)生焦耳熱加熱動(dòng)力電池。各加熱方式的特點(diǎn)如表1。本文基于冷卻液加熱動(dòng)力電池方法進(jìn)行研究。

2 動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)建模

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括冷卻和加熱，本文基于動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，故只建立加熱系統(tǒng)，其包括水泵、動(dòng)力電池、加熱器（HVH）、chiller（此時(shí)不工作）等部件如圖1。動(dòng)力電池為1P92S三元鋰離子電池，采用冷卻液加熱方式， 加熱管道（與冷卻共用）置于電池包底部，加熱時(shí)加熱器通電加熱冷卻液，通過(guò)水泵帶動(dòng)冷卻液循環(huán)加熱動(dòng)力電池，動(dòng)力電池及冷卻液流向示意圖如圖2。

動(dòng)力電池在加熱過(guò)程中以加熱器出水溫度（不考慮管路熱損失即電池包如水溫度）為控制目標(biāo)。加熱策略對(duì)比了定目標(biāo)水溫與變目標(biāo)水溫，定目標(biāo)水溫設(shè)定45℃，變目標(biāo)水溫考慮電池包最低溫度與電池入水溫度保持一定溫差而設(shè)定，具體如圖3。加熱器在加熱起始按最高檔開(kāi)始加熱，達(dá)到目標(biāo)水溫上限后停止加熱，此時(shí)水溫下降，等水溫低于目標(biāo)水溫后加熱器啟動(dòng)以上一檔減一的檔位繼續(xù)加熱， 若此時(shí)水溫下降低于目標(biāo)水溫下限，加熱器啟動(dòng)以上一檔位加一的檔位繼續(xù)加熱，直至動(dòng)態(tài)平衡。設(shè)T0為目標(biāo)水溫，T1為目標(biāo)水溫上限，T2為目標(biāo)水溫下限，T1-T0=T2-T0為回滯區(qū)間，H1、H2、H3、H4為檔位，具體加熱器檔位變化如圖4。

本文基于Amesim建立動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)模型，模型中加熱器簡(jiǎn)化為功率元件和管路阻力元件，不同溫度不同檔位下加熱器功率如下表2，加熱器效率95%，chiller部件因不考慮冷卻簡(jiǎn)化為管路元件，動(dòng)力電池采用一階RC模型并建立模組級(jí)模型，模組一1P6S*12，模組二1P5S*4，假設(shè)電池包靜置足夠長(zhǎng)時(shí)間電池包起始溫度等于環(huán)境溫度，不考慮電池包起始溫差及電芯不一致性，如圖5。

3 不同加熱策略對(duì)快充時(shí)間影響

3.1 不同加熱策略對(duì)快充時(shí)間影響

低溫下動(dòng)力電池充電功率及充電倍率受限，導(dǎo)致充電時(shí)間延長(zhǎng)，為縮短充電時(shí)間，需對(duì)其進(jìn)行加熱。本文分析了定目標(biāo)水溫及變目表水溫對(duì)純電動(dòng)汽車直流快充時(shí)間及能耗影響。電池包起始溫度-30℃，SOC從5%快充到95%。其仿真結(jié)果如下表3、圖6。

從分析結(jié)果可知，變目標(biāo)水溫比定目標(biāo)水溫快充時(shí)間增加21min，電池包溫差減小3℃，能耗降低15%，檔位波動(dòng)次數(shù)增加250%。

3.2 不同定目標(biāo)水溫對(duì)快充時(shí)間影響

不同定目標(biāo)水溫影響動(dòng)力電池加熱的快慢，影響動(dòng)力電池的充電倍率，從而影響快充時(shí)間。本文對(duì)比分析了不同定目標(biāo)水溫對(duì)快充時(shí)間、能耗、電池最大溫差的影響，結(jié)果如表4，圖7。

從結(jié)果可知加熱目標(biāo)水溫45℃，SOC5%-95%快充時(shí)間107.2min，電池包溫差11.5℃，能耗2.52kWh;水溫目標(biāo)降低10℃，快充時(shí)間增加3.7min，電池包最大溫差減小0.6℃，能耗減小9.9%;水溫目標(biāo)增加10℃，快充時(shí)間減小1.5min，電池包最大溫差增加0.9℃，能耗減小3.2%。

3.3 加熱器降檔策略對(duì)快充時(shí)間影響

前述加熱水溫達(dá)到目標(biāo)水溫上限后，檔位需要降一檔，在降檔過(guò)程中有兩種選擇直接降檔與關(guān)閉加熱器等水溫低于目標(biāo)值后降檔。以下對(duì)兩種降檔策略進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果如表5、圖8。直接降檔與關(guān)閉加熱器降檔快充時(shí)間、電池包最大溫差基本相同，能耗減小5.6%，檔位波動(dòng)次數(shù)減小37%。

4 結(jié)論

溫度對(duì)動(dòng)力電池工作性能產(chǎn)生顯著影響，尤其低溫環(huán)境，為使動(dòng)力電池工作在合適的溫度范圍，縮短快充時(shí)間，本文研究了不同加熱策略對(duì)動(dòng)力電池快充時(shí)間影響。

（1）針對(duì)不同加熱策略影響動(dòng)力電池加熱快慢從而影響快充時(shí)間，分析了定目標(biāo)水溫與變目標(biāo)水溫兩種加熱策略對(duì)快充時(shí)間影響，定目標(biāo)水溫比變目標(biāo)水溫快充時(shí)間減少21min，檔位波動(dòng)次數(shù)減少250%，但電池包最大溫差增加3℃，能耗增加15%，實(shí)際如何選用定目標(biāo)水溫與變目標(biāo)水溫要綜合考慮快充時(shí)間、電池包最大溫差及檔位波動(dòng)。

（2）其次分析了不同定目標(biāo)水溫下對(duì)快充時(shí)間影響，定目標(biāo)水溫35℃比45℃快充時(shí)間增加3.7min，電池包最大溫差減小0.7℃，能耗減小0.25kWh;定目標(biāo)水溫55℃比45℃快充時(shí)間減小1.5min，電池包最大溫差增加0.9℃，能耗減小0.08kWh。

（3）最后對(duì)比了加熱器采用不同降檔策略對(duì)快充時(shí)間的影響，直接降檔與關(guān)閉加熱器降檔快充時(shí)間、電池包最大溫差基本相同，能耗減小5.6%，檔位波動(dòng)次數(shù)減小37%。

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