純電動(dòng)貨車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻性能分析

林瑞平

摘 要：某款純電動(dòng)貨車(chē)的動(dòng)力電池冷卻方案采用自然冷卻的方式，基于整車(chē)典型的運(yùn)行工況，通過(guò)熱仿真分析、臺(tái)架測(cè)試、整車(chē)路試等手段，對(duì)其自然冷卻性能進(jìn)行分析，最終確認(rèn)其采用自然冷卻的方式可以保證電池工作在正常使用溫度范圍內(nèi)，電池單體最大溫差滿(mǎn)足技術(shù)要求，系統(tǒng)性能目標(biāo)滿(mǎn)足整車(chē)要求。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)貨車(chē) 動(dòng)力電池 自然冷卻 工況

Analysis of Natural Cooling Performance of Power Battery for Pure Electric Trucks

Lin Ruiping

Abstract：The power battery cooling scheme of a pure electric truck adopts natural cooling. Based on the typical operating conditions of the vehicle， its natural cooling performance is analyzed through thermal simulation analysis， bench test， and vehicle road test. Finally， it is confirmed that the use of natural cooling can ensure that the battery works within the normal operating temperature range， the maximum temperature difference of the battery cell meets the technical requirements， and the system performance target meets the requirements of the entire vehicle.

Key words：pure electric truck， power battery， natural cooling， working condition

1 引言

隨著新能源汽車(chē)的日益普及，人們對(duì)新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程不斷提出更高的要求。但因?yàn)槭艿秸?chē)空間的限制，增大電池體積的方案可操作性不強(qiáng)，于是增大動(dòng)力電池的能量密度成為業(yè)內(nèi)提高新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程一直在使用并且有效的解決方案。動(dòng)力電池能量密度提高，伴隨而來(lái)是電池發(fā)熱量大、溫度高的問(wèn)題，這對(duì)電池的性能、壽命、安全性等方面都產(chǎn)生了不利的影響。

溫度高低對(duì)于鋰離子動(dòng)力電池的整體性能，包括電池的容量、功率、充放電效率、安全性和壽命等都有著非常顯著的影響。當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍，溫度過(guò)高則會(huì)加快電池內(nèi)部副反應(yīng)的進(jìn)行，這些副反應(yīng)消耗鋰離子、溶劑以及電解液等，導(dǎo)致電池性能衰減。因此，如果長(zhǎng)時(shí)間地工作在高溫環(huán)境下，動(dòng)力電池的壽命就會(huì)明顯縮短，其性能也會(huì)大大降低，甚至引發(fā)安全事故。另外，電池箱體內(nèi)部溫度場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的不均勻分布也會(huì)造成各電池模塊、單體性能的不均衡，尤其是分布在高溫區(qū)域的電池電化速率會(huì)明顯快于低溫部分，隨著時(shí)間的積累不同電池之間的物性差異將越加明顯，從而使得電池之間的一致性變差，甚至發(fā)生提前失效，縮短了整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的壽命[1]。

2 電池冷卻方式初選

冷卻系統(tǒng)是動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中最重要的組成部分。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，冷卻系統(tǒng)通?？煞譃榭諝饫鋮s、液體冷卻和相變液冷三種冷卻方式，這三種冷卻方式的散熱能力是依次增強(qiáng)的。同時(shí)，冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也依次增加。除了根據(jù)冷卻介質(zhì)區(qū)分冷卻系統(tǒng)以外，冷卻系統(tǒng)也常常分為主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻兩種方式。通常被動(dòng)冷卻系統(tǒng)直接將電池內(nèi)部的熱空氣排出車(chē)體，而主動(dòng)冷卻系統(tǒng)通常具有一個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，并且根據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到最大散熱能力[2]。

采用自然冷卻方式是典型的以空氣作為傳熱介質(zhì)的被動(dòng)散熱方案，即利用空氣的自然對(duì)流換熱，將電芯的熱量傳遞到周?chē)諝庵?，從而在一定程度上降低電池單體的溫度。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，且自然對(duì)流的流動(dòng)較弱，因此自然冷卻的散熱效率一般比較低。此外，當(dāng)電池系統(tǒng)周?chē)淮嬖谄渌麩嵩磿r(shí)，溫差也可以控制在較小的范圍內(nèi)。自然冷卻方式雖然冷卻效率較低，但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件數(shù)量少、成本低、所占的空間較小等優(yōu)點(diǎn)，是目前新能源物流車(chē)電池冷卻系統(tǒng)應(yīng)用較多的散熱方式。

本車(chē)型是給某地區(qū)某物流運(yùn)營(yíng)企業(yè)開(kāi)發(fā)的一款輕型純電動(dòng)貨車(chē)，對(duì)整車(chē)成本的控制要求較高，同時(shí)，整車(chē)留給冷卻系統(tǒng)的空間十分有限，結(jié)合目前同行業(yè)主流車(chē)型的冷卻方案等因素考慮，初步選擇采用自然冷卻的方式。

3 電池冷卻性能分析驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)性能目標(biāo)

系統(tǒng)性能目標(biāo)必須以滿(mǎn)足整車(chē)性能目標(biāo)為前提，如果電池冷卻性能目標(biāo)達(dá)不到要求，將直接影響到電池的充放電功率、效率、壽命和安全性，最直觀的表現(xiàn)是整車(chē)性能體驗(yàn)效果差。該車(chē)采用磷酸鐵鋰電池，根據(jù)電池產(chǎn)品規(guī)格書(shū)和技術(shù)協(xié)議的要求，定義電池冷卻性能目標(biāo)需滿(mǎn)足如下要求：

（1）各工況下，電池最高溫度<60℃;

（2）各工況下，電池單體之間的最大溫差≤8℃。

3.2 運(yùn)行工況

無(wú)論是電池哪種冷卻方式，都必須通過(guò)車(chē)輛相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，這就涉及到評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、試驗(yàn)規(guī)范和要求。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)較成熟的純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池的整車(chē)?yán)鋮s性能試驗(yàn)工況和方法[3]。因此，本車(chē)的設(shè)計(jì)工況來(lái)源于整車(chē)性能試驗(yàn)大綱和目標(biāo)市場(chǎng)車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景;同時(shí)考慮到電池在目標(biāo)地區(qū)夏季高溫條件下的使用。根據(jù)上述原則，運(yùn)行工況定義見(jiàn)表1：

上述工況1到工況3屬于整車(chē)常用的基本的放電工況，根據(jù)工況和整車(chē)參數(shù)可以理論計(jì)算出電池的放電功率，結(jié)合電池的放電功率表和放電溫升數(shù)據(jù)，從而得出電池的最高溫度和溫差結(jié)果。這些工況一般不復(fù)雜，根據(jù)以往車(chē)型的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電池冷卻性能目標(biāo)基本可以滿(mǎn)足。因此，本文重點(diǎn)分析驗(yàn)證工況4（物流車(chē)專(zhuān)用工況）的電池冷卻性能。

3.3 熱仿真分析

在定義好運(yùn)行工況后，首先需要對(duì)電池進(jìn)行熱仿真分析，借助熱仿真分析工具，可以對(duì)電池包冷卻方案設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間和節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。根據(jù)上述工況4，提煉出的熱仿真工況如表2：

按照上述工況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1、圖2所示：經(jīng)過(guò)10小時(shí)循環(huán)工況，電池最高溫度約55℃<60℃，最大溫差約8℃≤8℃，理論分析滿(mǎn)足要求。

3.4 測(cè)試驗(yàn)證

上節(jié)熱仿真分析的結(jié)果僅僅是提供了理論手段的支持，當(dāng)電池包樣品做出來(lái)后，還需要對(duì)電池包進(jìn)行實(shí)物臺(tái)架測(cè)試和整車(chē)路試驗(yàn)證，以進(jìn)一步確認(rèn)冷卻方案的可行性。

3.4.1 臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證

調(diào)整電池包SOC到100%，靜置單體電池溫度與目標(biāo)環(huán)境溫度差值不超過(guò)2℃，然后利用充放電設(shè)備輸入工況對(duì)電池包進(jìn)行充放電測(cè)試，電池溫度通過(guò)BMS電池管理系統(tǒng)讀取。測(cè)試結(jié)果如圖3所示：工況完成時(shí)，電池的最高溫度49℃<60℃，最大溫差3℃<8℃，滿(mǎn)足要求。

3.4.2 整車(chē)路試驗(yàn)證

當(dāng)電池包臺(tái)架測(cè)試完成后，將其搭載到整車(chē)上進(jìn)行5000公里的周邊道路測(cè)試。首先，根據(jù)工況要求制定相應(yīng)的試驗(yàn)大綱（包含路線(xiàn)制定，車(chē)輛配載，數(shù)據(jù)采集記錄等）;其次，盡可能地模擬物流車(chē)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。經(jīng)過(guò)多天持續(xù)路試后，電池溫度達(dá)到平衡后的路試結(jié)果如圖4所示：電池的最高溫度52℃<60℃，最大溫差4℃<8℃，滿(mǎn)足要求。

以上測(cè)試結(jié)果表明，該電池系統(tǒng)采用自然冷卻的方式進(jìn)行散熱，在整車(chē)典型工況下運(yùn)行，電池的最高溫度和溫差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在綜合考慮車(chē)輛的安全性、復(fù)雜度、成本、開(kāi)發(fā)周期等因素后，初步選擇車(chē)輛動(dòng)力電池的冷卻方案采用自然冷卻的方式。該自然冷卻方案在隨后的熱仿真分析和測(cè)試驗(yàn)證中實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，并在后續(xù)整車(chē)三萬(wàn)公里綜合耐久試驗(yàn)和客戶(hù)實(shí)際用車(chē)測(cè)試中得到進(jìn)一步驗(yàn)證，其結(jié)果完全滿(mǎn)足性能要求，也為后續(xù)同類(lèi)純電動(dòng)貨車(chē)動(dòng)力電池冷卻設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王芳，夏軍等著.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，2017：84-85.

[2]徐善紅，馬露杰，曾祥兵.汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J].科技視界，2013，26：360-361.

[3]黃文雪，杜雪偉，李文.輕型純電動(dòng)商用車(chē)動(dòng)力電池冷卻性能分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2015，11：32-35.