某PHEV動(dòng)力電池的行車加熱特性研究

姚宏義，陳婭琪，李 楊，王新凱，陳曉強(qiáng)

(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 201804；2. 上海捷能汽車技術(shù)有限公司，上海 201804)

0 引言

溫度因素對動(dòng)力電池性能、壽命、安全性有著至關(guān)重要的影響[1-3]。過低的電池溫度會(huì)影響電池性能，當(dāng)鋰離子電池溫度低于0 ℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)充電析鋰或放電功率降低的情況[4-6]。對于混合動(dòng)力汽車而言，當(dāng)充放電功率受限時(shí)，會(huì)降低能量的回收利用率和換擋平順性[7-8]。為了改善電池的低溫性能，本研究基于上汽某插電式混合動(dòng)力車(PHEV)提出并設(shè)計(jì)了使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和正溫度系數(shù)(PTC)加熱片產(chǎn)熱作為熱源的兩種低溫行車加熱方案，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)值計(jì)算對兩種加熱方案的加熱特性和對于電池溫升及充放電功率限制提升的改善效果進(jìn)行了計(jì)算和對比分析。

1 加熱方案設(shè)計(jì)

PHEV中文全稱插電式混合動(dòng)力車，是一種介于純電動(dòng)汽車與燃油車之間且可外部充電的新能源汽車[9-10]，既有傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，也有純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)[11-12]。因而，PHEV除了可以利用純電動(dòng)汽車常用的PTC加熱片或加熱器作為熱源加熱低溫電池外還可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液作為熱源對低溫電池進(jìn)行加熱?；诖吮狙芯吭O(shè)計(jì)了利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱和PTC加熱片加熱兩種低溫電池加熱方案。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱方案

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱方案如圖1所示。該加熱方案主要由空調(diào)暖風(fēng)回路、動(dòng)力電池冷卻回路和電控閥組成。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱方案Fig.1 Engine coolant heating scheme

通過在空調(diào)暖風(fēng)回路中新增電池加熱支路，將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液分流至電池包，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)高溫冷卻液的熱量經(jīng)由水冷板、導(dǎo)熱墊和模組底部傳遞至低溫電芯，實(shí)現(xiàn)對其加熱的目的。

1.2 PTC加熱片加熱方案

PTC加熱片電阻與自身溫度正相關(guān)，自身溫度升高，電阻增加，加熱功率減小，引起自身溫度下降。自身溫度下降，電阻減小，加熱功率增加，又會(huì)使自身溫度升高，利用這一特性可以很好地將加熱溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)[13]，因而動(dòng)力電池的液冷加熱常使用PTC加熱片作為熱源[14]。本研究的PHEV動(dòng)力電池由6個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊底部有一塊冷板，6塊冷板通過串并聯(lián)組合在一起。本研究的PTC加熱片加熱方案如圖2所示。該方案在水冷板流道中布置PTC加熱片，由動(dòng)力電池通過穩(wěn)壓電路對PTC加熱片供電，通過PTC加熱片生熱加熱冷媒，然后將熱量由冷板、導(dǎo)熱墊和模組底面?zhèn)鬟f至低溫電芯。

圖2 正溫度系數(shù)加熱片加熱方案Fig.2 Heating scheme by PTC heater

2 加熱特性分析模型

2.1 加熱特性分析流程

本研究通過計(jì)算電池的溫升和功率限值的提升來評價(jià)兩種加熱方案的加熱特性，分析流程圖如圖3所示。

圖3 加熱特性分析流程Fig.3 Flowchart of heating characteristic analysis

基于鋰電池生熱和傳熱原理可建立電池溫度場數(shù)值計(jì)算模型，通過輸入加熱方案的相關(guān)參數(shù)和電池以及電池包的熱參數(shù)，可計(jì)算得到電池的溫度場分布，以此來獲得不同加熱方案的溫升和功率提升，并在此基礎(chǔ)上評判不同的加熱方案對于能量回收利用率和駕駛性能的改善。

電量消耗(CD)和電量維持(CS)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫升曲線如圖4所示。

圖4 不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液參數(shù)Fig.4 Engine coolant parameters under different conditions

發(fā)動(dòng)機(jī)加熱模型中，冷卻液流量13 LPM，PTC加熱片加熱模型中，加熱片功率為360，630 W和900 W。表1為溫度場數(shù)值計(jì)算模型中涉及到的部分電芯和電池包參數(shù)。

表1 動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of power battery system

2.2 電池溫度場計(jì)算模型

動(dòng)力電池在工作時(shí)，其溫升由充放電過程中自生熱產(chǎn)生的熱量與外界發(fā)生熱交換的熱量共同決定[15-16]。對于本研究的動(dòng)力電池，溫升的熱量主要由充放電自生熱和吸收的來自加熱系統(tǒng)的兩部分熱量所組成。

(1)電池溫度場模型

電池的溫升計(jì)算方程為[17]：

(1)

式中，T為電芯溫度；Cp為電芯比熱容；ρ為電芯密度；kx以及ky和kz分別為電池在3個(gè)方向上的熱導(dǎo)率；Qself為電芯單位體積的自生熱率，忽略副反應(yīng)的產(chǎn)熱，電池的自生熱主要由極化熱、反應(yīng)熱和焦耳熱組成[18]，采用經(jīng)典的BERNADI公式進(jìn)行計(jì)算，具體如式(2)所示：

(2)

2.3 溫度場計(jì)算模型校驗(yàn)

為了確保數(shù)值計(jì)算模型建模的準(zhǔn)確性，需要對其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證和標(biāo)定。

（二）把握調(diào)價(jià)時(shí)機(jī)，確定調(diào)價(jià)依據(jù)。調(diào)價(jià)的依據(jù)。（1）醫(yī)療服務(wù)成本變動(dòng)達(dá)到10%以上時(shí)啟動(dòng)調(diào)價(jià)程序；（2）從上次定價(jià)截止目前，CPI累計(jì)上升8-10%時(shí)應(yīng)該啟動(dòng)調(diào)價(jià)程序；（3）財(cái)政補(bǔ)助方式、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化時(shí)應(yīng)該調(diào)整；（4）技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增加時(shí)應(yīng)該調(diào)價(jià)；（5）國家政策影響醫(yī)療機(jī)構(gòu)收入或支出結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)應(yīng)該調(diào)整。如醫(yī)藥分開核算，取消藥品及衛(wèi)生材料加成時(shí)。（6）醫(yī)療服務(wù)價(jià)格調(diào)整受群眾支付能力、醫(yī)保支付能力、社會(huì)價(jià)格水平控制等方面影響。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)與方式進(jìn)行。選擇恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行時(shí)間。

依據(jù)整車冬季測試中的2個(gè)實(shí)測工況數(shù)據(jù)，分別對計(jì)算值和測試值進(jìn)行了對比。實(shí)測工況和仿真工況的對比如圖6所示。圖5為ColdCrank工況和EVRange工況的車速和荷電狀態(tài)電量(SOC)曲線，環(huán)境溫度分別為-26 ℃和-27 ℃。

圖5 ColdCrank工況和EVRange工況下車速與電量Fig.5 Vehicle speeds and SOCs under ColdCrank and EVRange conditions

圖6 ColdCrank工況和EVRange工況電池溫度Fig.6 Battery temperatures under ColdCrank and EVRange conditions

對比兩種工況下電芯最高溫度和最低溫度的計(jì)算值和測試值，兩者差異較小，溫升曲線吻合度較高，建模合理且準(zhǔn)確，計(jì)算準(zhǔn)確性較高。

3 加熱方案設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱特性分析

圖7(a)為采用實(shí)測發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度曲線計(jì)算得到的模塊溫升曲線。計(jì)算工況為純電行駛電量消耗CD工況，該工況下發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于對乘客艙制熱，行駛期間SOC由高到低，變化范圍為83.7 %～33.2 %，環(huán)境溫度-26 ℃，電芯初始溫度[-18,-14] ℃。

圖7 CD工況和CS工況下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱電池溫度曲線Fig.7 Battery temperature of engine coolant heating scheme under CD condition and CS condition

無加熱系統(tǒng)，電芯溫升緩慢，行車41 min電芯最低溫度上升至5 ℃。相比于無加熱方案發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱可使電芯較快升溫，加熱15 min，電芯最低溫度可升至0 ℃以上，電芯最低溫度升至0 ℃和5 ℃ 的時(shí)長分別縮短16 min和9 min。加熱30 min，電芯最低溫度可升至20 ℃以上，電芯最低溫度升至0 ℃和5 ℃的時(shí)長分別縮短20 min和22 min。加熱50 min，電芯最低溫度接近40 ℃。

圖7(b)為采用實(shí)測發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度曲線計(jì)算得到的模塊溫升曲線，計(jì)算工況為CS 工況，發(fā)動(dòng)機(jī)作為行車動(dòng)力源對乘客艙制熱，同時(shí)對電池充電，該工況下SOC維持在較低水平范圍15.5%～24%，環(huán)境溫度-27 ℃，電芯初始溫度[-26,-25] ℃。

由于電芯初始溫度較低，且行車主要?jiǎng)恿υ礊榘l(fā)動(dòng)機(jī)，因此在無加熱的情況下，電芯溫度維持在較低水平且溫升較CD工況更為緩慢，行車1 h電芯最低溫度仍處于-10 ℃附近。相比于無加熱，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱15 min，可將電芯最低溫度升至-10 ℃ 的時(shí)長縮短14 min，行車1 h電池最低溫度在-5 ℃附近。CS 工況下，要使電芯最低溫度升至0 ℃ 所需的加熱時(shí)間在20～25 min范圍內(nèi)。加熱30 min，電芯最低溫度可升至10 ℃，相比于無加熱可縮短升至-10 ℃的時(shí)長45 min。加熱50 min，電芯最低溫度可升至25 ℃。

存在加熱情況下，電芯溫升較快，電池在低溫環(huán)境下的充放電性能能夠得到相應(yīng)改善。圖8(a)～(b)分別為CD工況下電芯充放電功率的變化曲線。

圖8 CD工況和CS工況下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱充電功率和放電功率曲線Fig.8 Curves of charging power and discharging power by engine coolant heating under CD and CS conditions

無加熱時(shí)，隨著電芯最低溫度的上升，充電功率曲線均呈上升趨勢，但CD工況充電功率的上升速率和幅值要遠(yuǎn)高于CS 工況。CD工況下行車1 h充電功率上限升至35 kW附近，CS工況下行車1 h充電功率上限低于20 kW。這種差異與兩種模式下電芯的溫升差異有關(guān)，CD工況下由于主要?jiǎng)恿υ从呻姵胤烹娞峁?，電池放電過程伴隨著電池的自身熱，同時(shí)CD工況下電芯初始溫度高于CS工況，因此CD工況下電池的自生溫度和溫升均高于CS工況，從而致使充電功率上限值和上升速率也呈現(xiàn)高于CS工況的趨勢。放電功率兩種工況呈現(xiàn)相反的趨勢，CD工況呈下降趨勢，CS工況呈緩慢上升趨勢。CD工況，放電功率隨著SOC的不斷降低而逐漸下降，行車20 min，放電功率下降至40 kW以下。CS工況，由于發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，電芯處于電量保持狀態(tài)，充電功率隨SOC小范圍內(nèi)的上升而緩慢上升，但放電功率上限維持在20 kW以下的較低水平。

CS工況，如圖9所示。加熱15 min可提升的充放電功率限值分別為12 kW和5.4 kW，加熱30 min可提升的充放電功率限值分別為43 kW和20 kW。CS工況下，充電功率升至40 kW以上，需要加熱28 min，加熱時(shí)間50 min，放電功率上限值接近50 kW。

圖9 CS工況下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱充電功率曲線和放電功率曲線Fig.9 Curves of charging power and discharging power by engine coolant heating under CS condition

3.2 PTC加熱策略溫升特性

PTC加熱方案通過電池包供能對電池模組底部進(jìn)行加熱從而達(dá)到對電芯加熱的目的，由于低溫環(huán)境下電池包的放電能力受限，因此PTC加熱片功率的選取需要綜合考慮電池包低溫放電能力、電耗和對低溫電池的加熱效果?；诖吮狙芯窟x取了360，630 W和900 W 3種規(guī)格PTC加熱片，并對3種規(guī)格加熱片溫升和功率限值提升進(jìn)行了分析。

如表2所示，相比于無加熱，CD工況下，3種規(guī)格加熱片加熱1.5 min以上可縮短電芯最低溫度至5 ℃的最大時(shí)長分別為12,19 min和23 min。如表3所示，CS工況下，由于電芯初始溫度較低，且電芯處于電量保持狀態(tài)，因此電芯溫升速率明顯低于CD工況。無加熱時(shí)電芯最低溫度始終位于-10 ℃以下，電芯最低溫度升至0 ℃需要630 W加熱片加熱39 min，需要900 W加熱片加熱28 min。3種規(guī)格加熱片，900 W加熱片加熱效果最好，360 W加熱片效果不如630 W和900 W加熱片， CS工況下加熱效果較差。

表2 CD工況不同加熱片功率電芯溫升Tab.2 Temperature rise of battery cell with different heater powers under CD condition

表3 CS工況不同加熱片功率電芯溫升Tab.3 Temperature rise of battery cell with different heater powers under CS condition

如表4所示，對比PTC加熱片與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱15 min的加熱效果，當(dāng)PTC加熱片功率為630 W 時(shí)電池的溫升效果已經(jīng)能夠接近發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的加熱溫升效果，綜合考慮加熱片能耗與加熱效果，最佳的加熱片功率選擇為630 W。

表4 630 W PTC加熱片加熱方案與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱方案對比Tab.4 Comparison of heating schemes by 630 W PTC heater and engine coolant

CD工況下630 W加熱片加熱電芯的溫升曲線如圖10(a)所示。電芯最低溫度升至0 ℃所需加熱時(shí)間為17 min，電芯最低溫度升至5 ℃所需加熱時(shí)間為22 min，電芯最低溫度升至10 ℃所需時(shí)間為28 min，電芯最低溫度升至15 ℃所需時(shí)間為35 min。

圖10 CD工況和CS工況下630 W加熱片加熱電池溫度曲線Fig.10 Temperature curves of battery heated by 630 W heater under CD and CS conditions

CS 工況下630 W加熱片加熱電芯的溫升曲線如圖10(b)所示。電芯最低溫度升至-5 ℃所需加熱時(shí)間為32 min，電芯最低溫度升至0 ℃所需加熱時(shí)間為39 min，電芯最低溫度升至5 ℃所需時(shí)間為49 min。

如圖11(a)所示，CD工況下，與無加熱相比，加熱片加熱可縮短充電功率至20 kW時(shí)長11.7 min。提升充電功率至50 kW所需加熱時(shí)間為40 min。如圖11(b)所示，為了保證放電功率不出現(xiàn)明顯的下滑，至少需要加熱15 min以上，提升放電功率至50 kW所需加熱時(shí)間為21 min。如圖12(a)～(b)所示，CS工況下，無加熱系統(tǒng)的電池在低溫下充放電功率上限均位于20 kW以下。加熱片加熱可使電池充電功率達(dá)到10 kW的時(shí)間提前33 min，加熱15 min后，充電功率限值的提升量為2 kW，放電功率限值的提升量為5 kW。

圖11 CD工況下630 W加熱片充電功率曲線和放電功率曲線Fig.11 Charging power and discharging power curves heated by 630 W heater under CD condition

圖12 CS工況下630 W加熱片充電功率曲線和放電功率曲線Fig.12 Charging power and discharging power curves heated by 630 W heater under CS condition

3.3 不同加熱方案溫升特性對比

為比較兩種加熱方案對于電芯溫升和充放電功率限值的提升，基于上節(jié)計(jì)算結(jié)果對兩種加熱方案進(jìn)行了對比。

表5為兩種加熱方案在兩種工況下達(dá)到目標(biāo)溫度所需的加熱時(shí)間，總體而言使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液達(dá)到目標(biāo)溫升所用時(shí)間要短于630 W加熱片，尤其是在CS 工況下。兩種加熱方式對于提升電芯溫升所用的時(shí)間也隨著目標(biāo)溫度的提高而增大，使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱能夠獲得的電芯最高溫度明顯高于630 W PTC加熱片。兩種加熱方案提升充電功率至目標(biāo)溫度所需加熱時(shí)間如表6所示。使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱比使用PTC加熱片加熱對于充電功率的提升更為明顯。CD工況下，達(dá)到50 kW充電功率使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱所需時(shí)間比630 W加熱片加熱所需時(shí)間縮短了9 min。CS 工況下，達(dá)到50 kW充電功率使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱所需時(shí)間為31 min而630 W 加熱片能達(dá)到的充電功率上限為20 kW。

表5 兩種加熱方案溫升對比Tab.5 Comparison of temperature rise between 2 schemes

表6 兩種加熱方案充電功率限制提升Tab.6 Comparison of power limit rise between 2 schemes

對于放電功率，兩種加熱方式提升至目標(biāo)功率所用時(shí)間如表7所示。CD工況下，達(dá)到50 kW目標(biāo)功率，使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱需要16 min，使用630 W 加熱片需要21 min。電量維持CS工況下使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱能夠達(dá)到的放電功率上限為40 kW，使用PTC加熱片能夠達(dá)到的功率上限為30 kW。

表7 兩種加熱方案放電功率限制提升Tab.7 Comparison of power limit rise between 2 schemes

綜合對比兩種加熱方式，從電池溫升和充放電功率的提升這兩個(gè)維度來看，使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的加熱效果要明顯要優(yōu)于PTC加熱片。

4 結(jié)論

針對低溫環(huán)境下，電池溫度過低溫升緩慢使得充放電功率受限而致使某插電式混合動(dòng)力車(PHEV)出現(xiàn)能量回收利用率低和換擋平順性差的問題，提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和正溫度系數(shù)(PTC)加熱片加熱低溫電池的加熱方案。并通過建立數(shù)值模型對兩種加熱方案的加熱特性進(jìn)行了計(jì)算和分析，主要結(jié)論如下：

(1) 相比于無加熱系統(tǒng)，低溫加熱能夠使電池較快升溫，充放電功率限制迅速增加。在電量消耗(CD)工況下，兩種加熱方案加熱30 min，對于電芯最低溫度升至5 ℃縮短時(shí)長分別為9 min和10 min，對于充電功率的提升分別為23 kW和17.5 kW，對于放電功率的提升分別為24 kW和20.7 kW。CS工況下，兩種加熱方式加熱30 min對于電芯最低溫度升至-10 ℃縮短時(shí)長分別為45 min和36 min充電功率的提升分別為31 kW和6.91 kW，對于放電功率的提升分別為13 kW和13.8 kW。

(2) 使用PTC加熱片作為熱源加熱低溫電池的方案中，當(dāng)PTC加熱片功率為630 W時(shí)電池的溫升效果已經(jīng)能夠接近發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的加熱溫升效果，綜合考慮加熱片能耗與加熱效果，對于該P(yáng)HEV最佳的加熱片功率選擇為630 W。

(3) 綜合對比兩種加熱方案，使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液作為熱源的加熱效果要優(yōu)于PTC加熱片，對于電池溫升和功率限值的提升更為明顯。