余熱回收對動力電池SOC 及低溫容量衰減影響研究

陳 俊， 黃 鑫， 李 強(qiáng)， 郭深深

（1.濰柴動力股份有限公司， 上海 201100；2.濰柴新能源科技有限公司， 山東 濰坊 261061）

在低溫環(huán)境中，動力電池可用能量和可輸出功率衰減嚴(yán)重，且長期在低溫下工作會加速電池老化，縮短使用壽命［1］。在低溫中，通常會用PTC方案對電池進(jìn)行加熱，但這種方案會大幅消耗電池能量［2］。而電機(jī)、電控在車輛行駛中會產(chǎn)生一定的熱量，利用這些熱量對電池進(jìn)行加熱是當(dāng)前研究的一個方向。

為研究電機(jī)余熱的實際效果，W公司在2022年1月對某純電輕卡進(jìn)行了改制及試驗，之后利用KULI 及Matlab/Simulink對自然風(fēng)冷方案、余熱回收方案的動力電池相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，以期為余熱回收方案的應(yīng)用提供借鑒。

1 電機(jī)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)介紹

在電動汽車中，電機(jī)、電機(jī)控制器的最佳工作溫度范圍分別為-40～70℃和-40～65℃，動力電池合適的溫度在15～35℃之間［2］。滿足三電系統(tǒng)的使用溫度要求是電動汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。

1.1 原電機(jī)、電池框圖介紹

原車的熱管理系統(tǒng)分為電機(jī)及多合一控制器的冷卻系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)兩個相對獨立的部分。

電機(jī)及多合一控制器的散熱采用水冷方案，冷卻液在水泵的驅(qū)動下流經(jīng)多合一控制器、電機(jī)將這些零件中的熱量帶出，在電機(jī)散熱器及風(fēng)扇總成的作用下冷卻液中的熱量交換至環(huán)境中，之后冷卻液再次進(jìn)入循環(huán)。

動力電池為磷酸鐵鋰電池組，分別布置于車輛的左右側(cè)，4個電池組串聯(lián)成額定容量173Ah、標(biāo)稱電壓566V的電池包。動力電池的熱管理采用自然風(fēng)冷、電熱膜加熱的方案，當(dāng)電池溫度低于5℃時，BMS控制加熱膜加熱電池直至達(dá)到設(shè)定溫度后停止。動力電池需要散熱時，電芯將熱量傳導(dǎo)至電池底部的液冷板，液冷板再通過輻射與對流的方式將熱量傳遞至環(huán)境中。動力電池液冷板的設(shè)計是以滿足夏季電池散熱需求為依據(jù)的，易導(dǎo)致冬季電池保溫效果不佳的問題。原車熱管理系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 原車電機(jī)、 電池?zé)峁芾砜驁D

1.2 電機(jī)余熱回收框圖介紹

根據(jù)理論計算，此車型在滿載、等速60km/h行駛時，電機(jī)轉(zhuǎn)速為5722r/min，扭矩為44.5Nm，此時電機(jī)效率約為92%，若其余功率全部轉(zhuǎn)化為熱量將會有2.1kW，但實際有多少能被回收利用需要通過試驗定量分析。

為使余熱作為試驗過程中的唯一變量，對樣車改制如下：左、右側(cè)電池模組1接入電機(jī)余熱回路，左、右側(cè)電池模組2保持原狀態(tài)。下文中將采用“余熱回收與電熱膜加熱”的方案，簡稱為余熱回收方案；將仍為“自然風(fēng)冷與電熱膜加熱”的方案簡稱為自然風(fēng)冷方案。圖2為改制后的系統(tǒng)框圖，該改制方案能最大程度避免試驗過程中環(huán)境溫度、風(fēng)速、電機(jī)運(yùn)行工況的影響，在一次試驗中獲得定量的對比數(shù)據(jù)。

圖2 電機(jī)余熱回收系統(tǒng)框圖

2 余熱回收試驗

通過后臺跟蹤已經(jīng)銷往成都、鄭州兩地的車輛，得出表1的用戶常用工況。

表1 客戶主要運(yùn)行道路及車速

以中國天氣網(wǎng)公布的2021年11月～2022年2月成都、鄭州兩地的氣象信息為依據(jù)，考慮一般客戶都有收車充電、清晨冷態(tài)用車的習(xí)慣，結(jié)合設(shè)計要求低于5℃立即進(jìn)行電熱膜加熱的熱管理策略，得出成都約有45天觸發(fā)電池的電熱膜加熱，而鄭州約有100天。下文進(jìn)行余熱回收試驗、仿真分析時將以此為基準(zhǔn)。

2.1 試驗設(shè)備

本次試驗使用FLUKE記錄布置在電池冷卻液循環(huán)回路中的溫度測點數(shù)據(jù)，通過CANOE記錄電池SOC、電池充放電電流、電池最高溫、電池最低溫、電池組內(nèi)電芯溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩、電機(jī)控制器溫度等整車主動外發(fā)的報文數(shù)據(jù)，通過GPS記錄車速信息。

2.2 試驗結(jié)果

余熱回收試驗以改制后樣車為對象，在某試驗場高速環(huán)道進(jìn)行。行駛試驗前均控制電池充滿電后冷浸12h以上，試驗全程關(guān)閉空調(diào)采暖，詳見表2。

表2 試驗工況及結(jié)果

2.2.1 行駛工況試驗結(jié)果

試驗表明，余熱回收方案的電池組平均溫度都會明顯大于自然風(fēng)冷方案，以60km/h的兩次試驗數(shù)據(jù)為例，說明如下。

1） 圖3中左、右側(cè)電池組1在試驗后期溫度趨于平緩，即余熱回收的熱量加上電池自發(fā)熱的熱量約等于電池組對外的對流換熱熱量，在試驗截止時，比自然風(fēng)冷的電池組均溫約高5℃。

圖3 1月2日電池組均溫

2） 左、右側(cè)電池組1的均溫在圖4中下降趨勢與其余2個電池組相同，排除了電池模組差異。

3） 兩次試驗的電池組均溫都是先向上爬升至22℃，之后余熱回收方案的電池模組均溫走勢趨于平緩，但自然風(fēng)冷的電池組均溫都是向15℃下降。

4） 圖4中，電池平均溫度到達(dá)22℃后，從3600s至7200s下降了約5℃。

圖4 1月4日電池組均溫

5） 電池模組均溫在15℃后都波動運(yùn)行至約22℃，這是加熱膜停止加熱后電芯熱慣性導(dǎo)致的。

2.2.2 靜置溫降試驗結(jié)果

對動力電池開展靜置溫降試驗，電池最低溫度從25℃降低至20℃用時1h，再降至15℃用時約1.3h，再降至10℃用時約1.4h，從25℃降低至-5℃總耗時約14h。

2.3 小結(jié)

1） 在行駛工況中，相比自然風(fēng)冷方案，余熱回收方案的電池組平均溫度稍高且可延長約1h的溫降時長。

2） 即使停車時電池平均溫度25℃左右，但用車間隔達(dá)到14h后，電池組溫度將逼近環(huán)溫。

3） 在行駛工況中，電機(jī)的溫度會上升至80℃，但急加速、急減速時電機(jī)出水溫度不超過45℃，此水溫可以進(jìn)入液冷板對電池進(jìn)行加熱且不會產(chǎn)生水溫過高的問題，試驗數(shù)據(jù)支持下文開展余熱回收方案的研究。

3 仿真模型搭建

第2章的試驗中同時獲得了“自然風(fēng)冷方案”和“余熱回收方案”的動力電池溫度，本章節(jié)將利用KULI搭建與試驗樣車相同的動力電池放電模型。

3.1 電芯模型及參數(shù)

本車動力電池采用1P176S的電芯串聯(lián)方案，標(biāo)稱電壓為566V、額定存儲能量98kWh。其中1號電池箱有48個電芯，2號電池箱有40個電芯，在充放電過程中每個電芯電流相同。電芯的內(nèi)阻、SOC、溫度、電壓的關(guān)系如圖5、圖6所示：在相同SOC下，溫度越高內(nèi)阻越低，相同的充、放電電流下產(chǎn)生的熱量也越低；當(dāng)溫度不變時，SOC值越高內(nèi)阻也越低；根據(jù)電池電壓、SOC的關(guān)系，當(dāng)動力電池恒功率輸出時，電壓將隨著SOC一起降低，但電流會增大。

圖5 電池內(nèi)阻、 SOC、 溫度關(guān)系

圖6 電池電壓、 SOC、 溫度關(guān)系

3.2 電池包模型及參數(shù)

如圖7、圖8所示，電池模組1在Y方向布置有2個電芯，在X方向等間距布置24排電芯（模組2為20排，下文仿真時都簡化為22排），電芯的下方為導(dǎo)熱膠、鋁制液冷板。電池模組外殼與電芯間有空氣隔熱層，靠近外殼的電芯側(cè)面還會被加熱膜包裹。

圖7 電芯在電池模組內(nèi)部布置示意

圖8 電池模組剖視圖示意

3.3 低溫下的SOC估算

動力電池在恒溫、恒流放電時，其實際可放電容量隨著溫度的降低在下降，根據(jù)文獻(xiàn)［3］的研究成果，將本車動力電池可放電容量與溫度關(guān)系繪制成散點，如圖9所示。

圖9 可放電容量與溫度關(guān)系示意

車輛在低溫下使用時，動力電池的溫度會從冷態(tài)向上爬升，此階段的SOC計算是難點。本文對安時積分法［4］進(jìn)行變換，將溫度爬升階段的額定容量變換為與電池溫度關(guān)聯(lián)的Ct0，公式如下：

3.4 電池產(chǎn)熱及傳熱過程

根據(jù)文獻(xiàn)［2-3］的研究，通常焦耳熱為電池?zé)崃康闹饕獊碓础．?dāng)電池加熱膜工作后，靠近加熱膜的電芯會首先被加熱，之后熱量會傳導(dǎo)和輻射至更遠(yuǎn)的電芯；當(dāng)余熱回收起作用時，冷卻液會先將液冷板加熱，加熱后的液冷板再將熱量傳導(dǎo)至電芯；在自然風(fēng)冷方案中，電芯主要通過液冷板與環(huán)境進(jìn)行換熱。

車輛在行駛時，液冷板與下部空氣形成強(qiáng)制對流換熱，傳熱系數(shù)K值約為10～100W/（m2.k）［5］。根據(jù)壁面?zhèn)鳠岬墓焦浪愠鲭姵啬＝M2在80km/h試驗后期K值約為35W/（m2.k），電池模組1在等速60km/h試驗后期K值約為25W/（m2.k）。根據(jù)經(jīng)驗，車輛靜止或者增加隔熱措施后的K值約為15W/（m2.k）。

3.5 電機(jī)效率介紹

電機(jī)在運(yùn)行過程中不可避免會產(chǎn)生很多熱量損失而使電機(jī)生熱［3］，通過電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和扭矩下的效率可求得電機(jī)生熱量。相同轉(zhuǎn)速時，扭矩的變化會使得電機(jī)效率發(fā)生變化；扭矩一定時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會使得電機(jī)處于不同的效率區(qū)。

3.6 電池加熱策略、水泵運(yùn)行邏輯

對第2節(jié)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此樣車的加熱策略是：BMS監(jiān)測到電池最低單體溫度低于10℃，同時電池最高溫度與最低溫度差值在8℃以內(nèi)，開啟加熱膜加熱；當(dāng)電池最低單體溫度高于15℃時，停止加熱。根據(jù)規(guī)格書，電池組1的加熱膜功率為0.9kW，電池組2的功率為1.07kW。

電機(jī)、電控回路水泵運(yùn)行策略為：當(dāng)電機(jī)溫度高于75℃時水泵運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)溫度低于60℃時水泵停止運(yùn)行；當(dāng)電控的溫度高于55℃時水泵運(yùn)行，當(dāng)電控溫度低于40℃時水泵停止運(yùn)行。文獻(xiàn)［1］發(fā)現(xiàn)電控在各工況下發(fā)熱功率約為300W左右，可通過質(zhì)量塊替代。

3.7 仿真模型

在KULI中搭建如圖10所示的仿真模型，其中2個電池模組1組成余熱回收電池組模型并與電機(jī)水循環(huán)回路相連，2個電池模組2組成自然風(fēng)冷電池組與環(huán)境相連；電機(jī)功率通過行駛工況中的扭矩、轉(zhuǎn)速計算，將電池溫度作為加熱策略的觸發(fā)條件，電機(jī)與加熱膜的功率之和為電池功率計算模塊；系統(tǒng)中冷卻液通過質(zhì)量塊替代，電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫度作為水泵運(yùn)行的觸發(fā)條件。

圖10 動力電池放電模型

3.8 仿真模型準(zhǔn)確性驗證

為驗證上述模型的準(zhǔn)確性，對表2中等速工況進(jìn)行仿真，并將數(shù)據(jù)繪制成圖11、圖12的曲線。

圖11 60km/h電池溫度及SOC變化曲線

圖12 80km/h電池溫度及SOC變化曲線

1） SOC的對比

在等速60km/h中，仿真SOC在前3000s稍大，最大差值約1%；在4000～5000s時，仿真與試驗值重合度較高；6000s后仿真值偏小，在仿真截止時差值約3%。

在等速80km/h中，仿真SOC在前800s內(nèi)以及2500～4500s之間與實測值基本重合；在800～2500s之間，最大差值約1%；4500s后仿真值偏小，在仿真截止時差值約1.7%。

2） 自然風(fēng)冷電池溫度對比

在等速60km/h中，仿真值在2300s前稍低，最大差值出現(xiàn)在1140s的1.2℃；2300～2800s時，仿真與實測重合度較高，差值在0.3℃以內(nèi)；2800～4000s，仿真值稍小，出現(xiàn)在3650s的1.7℃；在4000s后最大差值為0.5℃且都呈現(xiàn)下降趨勢。

在等速80km/h中，仿真值在2000s前稍低，最大差值出現(xiàn)在1170s的1.8℃；2000～3000s時，仿真值稍小，最大差值出現(xiàn)在2400s的1.7℃；3000s后兩者走勢相同，最大差值為0.7℃。

3） 余熱回收電池溫度對比

在等速60km/h中，仿真值在1500s前稍低，最大差值出現(xiàn)在750s的1.3℃；在1500～3600s時，仿真值稍高，最大差值出現(xiàn)在2900s的2.42℃；3600s之后兩者走勢相同，最大差值出現(xiàn)在5300s的0.96℃。

在等速80km/h，仿真值在1250s前稍低，最大差值出現(xiàn)在750s的1.8℃；在1250～2650s時，仿真值稍高，最大差值出現(xiàn)在2050s的1.7℃；2650s后最大差值為1.9℃，但兩者走勢相同。

上述仿真模型在SOC的仿真上，最大差值為3%；在自然風(fēng)冷電池溫度的仿真上，最大差值1.8℃，出現(xiàn)在電芯溫度熱慣性上升段；在余熱回收電池溫度的仿真上，最大差值2.42℃，也出現(xiàn)在電芯溫度熱慣性上升階段。模型能準(zhǔn)確描述出電池溫度、SOC的變化，支持下文繼續(xù)開展與溫度、SOC相關(guān)的仿真研究。

4 動力電池低溫容量衰減與溫度提升研究

參考GWM 3049［6］和中汽研EV-TEST的測試工況［3］，下文抽離出-7℃、等速60km/h運(yùn)行9000s的仿真工況，對此特定工況下的動力電池8年壽命期低溫容量衰減進(jìn)行研究。

4.1 電池低溫容量衰減模型介紹

式中：Qloss%——電池容量衰退百分比；Crate——電池電流倍率；Ah，i-1——安時積分法求得的電池電量。

如圖13所示，利用Matlab/Simulink對上述公式進(jìn)行建模，將KULI仿真的電池溫度、電流等參數(shù)代入模型，對壽命期內(nèi)總的低溫容量衰減百分比進(jìn)行計算。

圖13 電池低溫容量衰減仿真模型

4.2 加熱策略與低溫容量衰減研究

將3.7節(jié)的動力電池全部接入風(fēng)冷回路構(gòu)成原車的自然風(fēng)冷方案電池放電模型，全部接入電機(jī)冷卻回路構(gòu)成余熱回收電池放電模型，將仿真結(jié)果匯總進(jìn)表3、表4。

表3 原車自然風(fēng)冷方案仿真數(shù)據(jù)匯總

表4 余熱回收方案仿真數(shù)據(jù)匯總

通過上述表格發(fā)現(xiàn)，在相同的加熱策略下，余熱回收方案都能減少加熱膜的工作時長，以加熱策略4、5為例，節(jié)省約0.3kWh和1.4kWh的電量；加熱策略還會影響低溫容量衰減，策略中的截止溫度越高衰減越少，降幅在1.7%～0.7%之間；余熱回收方案截止SOC稍大于原車，提升幅度在1%～2%之間，但幾組截止SOC幾乎相同，這是因為雖然加熱膜耗電量不同，但電池溫度的上升又彌補(bǔ)了這部分損失（低溫環(huán)境中，電池溫度上升帶來SOC的增加是非穩(wěn)態(tài)的）。仿真過程中動力電池溫度變化曲線見圖14、圖15。

圖14 自然風(fēng)冷電池溫度變化曲線

圖15 余熱回收電池溫度變化曲線

在加熱策略5中，余熱回收方案的電池溫度在3300s左右上升至15℃，之后未觸發(fā)加熱策略再次工作；自然風(fēng)冷方案的溫度在3700s觸及15℃，在7000s時下降至10℃再次觸發(fā)加熱膜工作；在加熱策略4中，余熱回收方案的電池溫度在2500s時上升至10℃，之后升至11.69℃；自然風(fēng)冷方案的溫度在3000s觸及10℃，在仿真結(jié)束時為5.63℃。電池溫度在余熱回收方案中有趨向13℃的趨勢，在自然風(fēng)冷方案中都有趨向3℃趨勢。

綜上，為避免客戶在實際用車過程中電加熱膜被反復(fù)觸發(fā)，盡可能提升續(xù)駛里程，降低低溫衰減，建議原車采用加熱策略4。在此加熱策略下，余熱回收方案可進(jìn)一步減少0.3kWh加熱膜耗電量，提高約1%的SOC，延長約1h的靜置溫降，降低約0.5%的低溫容量衰減。但無論哪種加熱策略，余熱回收都無法將動力電池的溫度調(diào)整至合適區(qū)間。

4.3 動力電池溫度提升研究

接上文，從提升電池初始溫度、增加隔熱措施的維度，以將電池溫度調(diào)整至15～35℃為目標(biāo)，對余熱回收方案下幾種行車場景進(jìn)行分析：①僅提升電池初始溫度的態(tài)行車場景1，假設(shè)充電保溫后電池溫度為25℃；②在此基礎(chǔ)上增加電池隔熱措施的熱態(tài)行車場景2；③僅增加電池隔熱措施的冷態(tài)行車場景2（冷態(tài)行車場景1與4.2節(jié)相同）。

表5中截止溫度表明：有隔熱措施時，不論電池是否增加初始溫度都可達(dá)到目標(biāo)，僅提升電池初始溫度則無法達(dá)成目標(biāo)。結(jié)合4.2節(jié)內(nèi)容，在仿真結(jié)束時，余熱回收方案的熱態(tài)行車場景2比自然風(fēng)冷的冷態(tài)行車場景1提升約8.8%的SOC，增加23.7℃的電池溫度。

表5 電池截止溫度、 SOC對比表

5 總結(jié)

1） 不同的加熱策略對低溫容量衰減、電池溫度都有影響，在本文推薦的加熱策略下，余熱回收方案可進(jìn)一步減少加熱膜耗電量0.3kWh，提高約1%的SOC、降低約0.5%的電池低溫容量衰減。

2） 只有在動力電池增加隔熱措施的前提下，余熱回收方案才能將本車型的電池溫度調(diào)整至合適區(qū)間。但動力電池增加隔熱措施后，需要對其散熱性能進(jìn)行分析，以避免其在充電、行車散熱時受到影響。

3） 本文抽離出特定的低溫仿真工況開展相關(guān)研究，對特定的用戶群、銷售區(qū)域，還需提取相應(yīng)的工況開展具體分析；同時，車輛增加余熱回收方案后，加熱策略也存在繼續(xù)優(yōu)化的空間［3］，此部分還需繼續(xù)研究。