低溫環(huán)境下純電動汽車動力電池熱管理方法

李冠中，李琛研

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

低溫環(huán)境下電動汽車電池工作效率急劇下降是制約電動汽車發(fā)展的主要障礙之一。本文采用了基于蓄電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)，正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）加熱系統(tǒng)預熱，PTC+驅動系統(tǒng)余熱加熱模式的熱管理方法。

電池組的加熱方式為外部加熱，對電池的損耗較小，加熱更為安全[1]。文獻[2]選取電池底部電加熱膜加熱的方式，發(fā)熱元件采用了鐵鉻鋁合金的發(fā)熱絲，而在本文中采用了更加安全的 PTC加熱器，取消了硅膠板的鋪設。文獻[3]分析了預加熱對磷酸鐵鋰動力電池性能的影響。文獻[4-5]提出了PTC加熱系統(tǒng)與利用電機余熱加熱電池的優(yōu)勢，但未考慮到PTC加熱器加熱與電機余溫加熱有各自高效作用的溫度區(qū)間，二者在合理的邏輯控制下結合使用可以使加熱效率提高、對電池的損耗降低。在電池模組之間鋪設通有水道的冷卻板[6]，通過四通閥連接電機冷卻液循環(huán)回路，以達到循環(huán)利用電機高溫冷卻液加熱或保溫電池的目的。此外，在冷卻板與電池之間添加傳感器元件，建立智能反饋系統(tǒng)，防止過度加熱造成能源浪費甚至電池熱失控。

為有效改善現(xiàn)有純電動汽車能源來源單一而導致用于加熱的電能不足，或因用于對動力電池進行加熱而導致車輛的續(xù)航里程減少等問題，研究采用蓄電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)，為電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)提供能量[7]。相比較之下，蓄電池往往具有較高的比能量而比功率較低，超級電容比能量較低而比功率卻是電池的10倍以上，該混合儲能系統(tǒng)可以使二者優(yōu)勢互補。文獻[8]中對混合儲能系統(tǒng)的研究是基于常溫情況下進行的，而本文在-10 ℃的低溫條件下進行仿真分析。蓄電池與超級電容通過雙向功率變換器并聯(lián)，雙向功率變換器采用Buck-Boost復合電路結構[9]。

1 蓄電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的結構

蓄電池與超級電容通過雙向功率變換器并聯(lián)，系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

雙向功率變換器采用Buck-Boost復合電路結構，如圖2所示，在Boost工作模式下，電池組端電壓為U1，總線電壓為Un，U1通過升壓電感L、開關管VT2的升壓變換經(jīng)VD1接到總線電壓，和超級電容實行功率混合。在Buck工作模式下，總線電壓Uh通過開關管VT1的斬波降壓，經(jīng)電感L、電容C2的濾波作用輸出電壓U1對電池組進行充電，二極管 VD2在降壓過程中實現(xiàn)輸出電流的續(xù)流作用。

圖2 Buck-Boost復合電路結構圖

1.2 仿真分析

通過 Simulink搭建超級電容和蓄電池復合作用的能量管理系統(tǒng)并在-10 ℃的低溫條件下運行仿真。

如圖3所示，低溫情況下超級電容的電壓基本穩(wěn)定在32 V左右，實現(xiàn)了該系統(tǒng)對超級電容穩(wěn)壓的功能。

圖3 超級電容的電壓變化

如圖4所示，低溫情況下，該系統(tǒng)對荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）的影響較小，符合蓄電池在相同實驗環(huán)境中單獨運行狀態(tài)下的SOC變化。

圖4 混合儲能系統(tǒng)SOC變化

如圖5所示，超級電容的充放電波動的頻率和幅度較大，是超級電容不斷補償高頻功率的結果。負載脈沖時超級電容分擔了大部分的電流，以減小對蓄電池的脈動沖擊。

圖5 超級電容充放電響應

如圖6所示，低溫情況下電池的充放電曲線較為平滑，避免了反復充放電對電池造成的不利影響。因為超級電容的功率密度大，電流輸出能力強，超級電容對脈動電起到一定的平滑作用，符合預期效果。

圖6 電池充放電響應

2 電池預加熱

2.1 加熱組件布置方案

本文選取電池底部電加熱膜加熱的方式對電池進行預加熱。該方案利用電池與電加熱膜直接接觸實現(xiàn)熱傳遞。電加熱膜的發(fā)熱元件是PTC加熱器，PTC加熱器由陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。該類型PTC發(fā)熱體有熱阻小、換熱效率高、耐用環(huán)保等優(yōu)點，且安全性能極佳，可以極大程度避免加熱器表面的“發(fā)紅”從而引起火災。外層采用聚酰亞胺加熱膜，聚酰亞胺電熱膜具有優(yōu)異的絕緣強度、抗電強度、熱傳導效率和電阻穩(wěn)定性，從而廣泛適用于電加熱領域。加熱組件的布置方案如圖7所示，電加熱膜的內部構造如圖8所示。

圖7 加熱組件布置方案示意圖

圖8 電加熱膜內部構造示意圖

2.2 加熱方案分析

由于預加熱過程中不存在電池的充放電情況，所以電池吸收的熱量滿足式（1）：

式中，QH為加熱元件產(chǎn)生的總熱量；Qb為電池吸收的熱量；Qba為電池與環(huán)境交換的熱量；Qha為加熱元件與環(huán)境交換的熱量。

電池單體吸收的熱量為

式中，mi為i號電池質量；Cpi為i號電池比熱容；ΔTi為i號電池平均溫度變化。

1.PTC加熱實驗結果分析

本文對國內某電池廠家的電池模塊進行分析，在環(huán)境溫度為5 ℃時，對電池進行充電，直到充電截止電壓為3.65 V，記錄電池充電容量。之后采用熱敏電阻加熱帶對電池進行加熱。將加熱帶接通電源，測試電池模塊表面溫度和加熱帶表面溫度的變化。

對電池進行預加熱1 h的過程中電池模組、加熱帶表面溫度、流過加熱帶電流與時間的關系曲線如圖9所示。由圖9可知，在 15～20 min之間電池表面溫度升高最快，而在50～60 min之間，電池表面溫度趨于穩(wěn)定。

圖9 加熱帶溫度、加熱帶電流與電池模塊表面溫度隨時間變化曲線

2.PTC加熱系統(tǒng)設計

PTC熱敏電阻加熱系統(tǒng)具備以下特點：1）電池溫度的準確測量和監(jiān)控；2）環(huán)境溫度的準確測量和監(jiān)控；3）能夠對低溫工況下的電池進行加熱；4）當電池溫度到達一定值時停止加熱。本文采用的PTC熱敏電阻加熱系統(tǒng)主要分為四個部分：溫度檢測模塊、控制計算模塊、熱敏電阻加熱模塊和功率放大器模塊。圖10為加熱系統(tǒng)的控制邏輯。

圖10 加熱系統(tǒng)控制思路示意圖

首先比較電池工作最佳溫度和電池工作溫度，將比較值以電壓的方式輸入功率放大器，功率放大器根據(jù)電壓對熱敏電阻輸入電壓，以加熱電池模塊，溫度測量模塊將實時的電池溫度反饋給控制模塊。

3 熱管理系統(tǒng)

3.1 熱管理系統(tǒng)建模

電池熱量與冷卻液熱量的交換是通過與冷卻板換熱完成的。圖11為電池與冷卻板的模組示意圖，圖12為電池模組截面示意圖。

圖11 電池模組示意圖

圖12 電池模組截面示意圖

在電池與冷卻板之間添加傳感器，其中電池熱質量塊和冷板熱質量塊用來計算其表面溫度，熱傳導模塊用來計算電池與冷板之間的換熱量，冷板流道模塊計算冷卻液與冷板的換熱量。具體的換熱模型如圖13所示。

圖13 電池與冷卻板之間的換熱模型

熱管理系統(tǒng)由電池回路和電機回路兩個冷卻液循環(huán)回路構成。由四通閥連接二者，構成新的冷卻液循環(huán)回路。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)利用PTC加熱器加熱以及電機余熱的利用。電池熱管理系統(tǒng)建模如圖14所示，熱管理系統(tǒng)整體布局如圖15所示。

圖14 電池熱管理系統(tǒng)建模示意圖

圖15 電池熱管理系統(tǒng)布局示意圖

3.2 熱管理系統(tǒng)工作原理

3.2.1 電機生熱原理

永磁電機在運行轉動的過程中會產(chǎn)生一定的損耗，這些損耗包括：鐵心損耗、繞組銅耗、永磁體渦流損耗、機械損耗，這些損耗最終絕大部分轉化成熱量，成為電機各部位發(fā)熱的主要熱源，導致電機溫度升高。

驅動電機和電機控制器工作時的熱損耗是驅動系統(tǒng)的主要熱源，控制器在將高壓直流電轉換為三相交流電以及電機在將電能轉換成機械能的過程中存在著不可避免的能量損失，這些損失的能量均以熱能的形式散發(fā)出去，部分熱能作用在電機或控制器本身使其溫度升高，另一部分熱能則通過熱傳導、熱對流或熱輻射的形式傳遞至外部環(huán)境，最終消散于空氣中。對電機而言，其內部的熱交換比較復雜，很多部件既是發(fā)熱部件也是傳熱部件，如定子鐵芯、定子繞組等。通常電機后端布置有風扇主要用于轉子的散熱，對于定子產(chǎn)生的熱量則傳遞給電機殼體中的冷卻管道，通過與冷卻液的對流換熱散發(fā)出去。另外由于電機殼體也是金屬，其表面溫度與內部溫度相差不大，故熱輻射量很小，可以忽略不計。

3.2.2 PTC加熱器控制策略

低溫工況下，需要對電池加熱，以保證電池快速升溫至適宜工作溫度區(qū)。電動汽車上最常用的電池加熱方法是PTC加熱法，通過PTC加熱器加熱電池回路的冷卻液，然后冷卻液將熱量通過冷板傳遞至電池，為電池加熱。冷卻的溫度不能高于電池過多，否則會對電池造成損害；也不能低于電池溫度或高于電池溫度過少，否則會起不到加熱作用或加熱效果不明顯。因此，在對電池加熱過程中隨著電池溫度的升高，需要通過控制PTC加熱器的加熱功率合理地控制冷卻液的溫度，PTC加熱器是通過改變內部的歐姆阻值的大小來改變加熱功率，加熱功率的計算公式如下：

式中，I為通過PTC電阻的電流；U為PTC兩端的電壓。

通常將電池溫度加熱到10 ℃以上，動力電池可獲得較好的性能，同時，考慮到PTC對能量的消耗，電池自身熱量的累積以及電機余熱的利用，將PTC的加熱溫度設置為15 ℃，即當電池溫度低于15 ℃時，PTC開始工作，當電池溫度高于等于15 ℃時，PTC停止加熱。圖16為PTC加熱器的控制邏輯圖。

圖16 PTC加熱器的控制邏輯圖

3.3 熱管理系統(tǒng)工作方式

加熱模式主要應對的情況是動力電池在低溫極端工況下需要加熱以保證電池的性能。在該熱管理系統(tǒng)中，電池的加熱方式具有兩種，即 PTC加熱和電機余熱加熱。當電池加熱需求較小時，可利用電機余熱加熱。當僅靠電機余熱無法滿足電池的加熱需求時，可采用PTC加熱電池冷卻液。當電機產(chǎn)生一定余溫且溫度依然較低的情況下，使用兩種方式共同為電機加熱。當加熱到一定溫度后，出于對功耗的考慮，僅使用電機余熱對電池進行加熱。

加熱模式利用電機余熱加熱時電機回路的液體溫度需要滿足兩個條件：1）電機回路溫度Tcm≥30 ℃；2）電機回路溫度Tcm＞電池回路溫度Tcb。條件1是電機工作對溫度的需求，條件2保證熱能是由電機傳遞至電池回路。電池的加熱方式分為三種，當電池溫度小于15 ℃時，考慮到低溫下驅動系統(tǒng)可能存在余熱加熱能力不足以及電池需要快速回溫，所以PTC與電機和電機控制器余熱聯(lián)合加熱；當電池溫度大于等于15 ℃時，利用電機和電機控制器余熱加熱，因為電池15 ℃以上已經(jīng)能夠較為高效工作且PTC能耗較高，不再適合使用PTC加熱器對模塊進行加熱。加熱模式的工作控制邏輯如圖17所示。

圖17 加熱模式的工作控制邏輯圖

3.4 熱管理系統(tǒng)測試結果

熱管理系統(tǒng)的加熱性能主要可以從將電池加熱到設定溫度所需的時間和放電深度（Depth Of Discharge, DOD）兩方面分析。加熱到設定溫度所需的時間越短，電池也能越早在適宜溫度范圍內工作，放電深度越低，加熱過程所消耗的能量越少。加熱性能分析選取的環(huán)境溫度為-20 ℃、-10 ℃和0 ℃。對比了電池在電機余溫加熱、PTC和PTC+電機余溫加熱三種加熱模式下的溫度變化情況，假設電池在整個行駛工況過程中無散熱情形。

圖18為在只有電機和電機控制器余熱加熱時的電池溫度變化情況。從圖中可以看出，在環(huán)境溫度為-20 ℃和-10 ℃下，電池能被加熱到的最高溫度分別是8.2 ℃和12.5 ℃，未達到設定的溫度15 ℃。環(huán)境溫度為0 ℃時，被加熱到的最高溫度為18.8 ℃。

圖18 電機和電機控制器余熱加熱時的電池溫度變化情況

PTC加熱下電池的溫度變化如圖19所示。電池在三種環(huán)境溫度下被加熱到的最高溫度分別是19.3 ℃、20 ℃和21.1 ℃，當電池被加熱到15 ℃后，PTC加熱器關閉，電池依靠自身的熱量累積升溫。

圖19 PTC加熱下電池的溫度變化情況

圖20為PTC+驅動系統(tǒng)余熱加熱模式下的電池溫度變化情況。從圖中可以看出在電池溫度未達到15 ℃以前，無論環(huán)境溫度是-20 ℃、-10 ℃還是 0 ℃，電池溫度上升明顯，這是因為在這一段時間電池由PTC和驅動系統(tǒng)余熱聯(lián)合加熱。當電池溫度上升至15 ℃后，溫升開始變緩，此時只有電機和電機控制器余熱加熱，當電池溫度超過20 ℃時，電池無加熱，依靠自身熱量累積升溫。

圖20 PTC+驅動系統(tǒng)余熱加熱模式下的電池溫度變化情況

圖21給出了電池被分別從-20 ℃、-10 ℃和0 ℃加熱到15 ℃時電池的放電深度。從圖中可以看出，三種加熱模式下，PTC+驅動系統(tǒng)余熱加熱模式將電池加熱到5 ℃時電池的放電深度最低，能量消耗最少，相對于PTC加熱，三種環(huán)境溫度下放電深度減分別減少了4%、3%和 1.5%，這意味著電池能量消耗減少，續(xù)航里程提高。僅余熱加熱時，盡管沒有額外的電能消耗，但放電深度最高，這是因為電池溫升太慢，溫度過低，無法加熱至目標溫度，或加熱至目標溫度所需要的時間過多。

圖21 加熱到15 ℃時電池的放電深度

但從行駛工況結束時電池的放電深度來看，如圖22所示，還是僅余熱加熱時電池最終的放電深度最低，相對于PTC加熱放電深度分別減少了7.6%、6.3%和6%。

圖22 行駛工況結束時電池的放電深度

通過上文分析，環(huán)境溫度越高電機余熱加熱的性能越好，環(huán)境溫度為0 ℃時，能將電池加熱至15 ℃。從加熱時間和放電深度兩方面綜合來看，PTC+電機余熱加熱方式在將電池加熱至目標溫度方面優(yōu)于PTC加熱和純余熱加熱，因此，所設計的動力系統(tǒng)集成式熱管理系統(tǒng)具有良好的加熱性能。

4 結論

文章給出的低溫環(huán)境下純電動汽車動力電池熱管理方法，即通過蓄電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)回收能量，顯著降低蓄電池放電電流，避免低溫時蓄電池為加熱頻繁放電造成自身損耗；在電機工作之前采取PTC加熱器進行預加熱；通過四通閥將電池冷卻液循環(huán)回路與電機冷卻液循環(huán)回路互通，電機工作之后采取PTC+電機余熱加熱方式，可有效縮短加熱到適合動力電池工作溫度的時間，減少放電深度。同時對加熱模式進行控制，確保電機余熱利用，PTC加熱器加熱及二者協(xié)同作用可以分別處于它們高效工作的溫度區(qū)間。最終低溫環(huán)境下電動汽車熱管理方法得到了改善。