混合動力汽車動力電池熱管理系統(tǒng)設計方法研究

摘" 要：本文根據(jù)混合動力汽車整車特性及動力電池工作特性，提出一種創(chuàng)新有效的動力電池熱管理系統(tǒng)解決方案。該方案將發(fā)動機熱管理系統(tǒng)、駕駛室空調系統(tǒng)和電池熱管理系統(tǒng)進行了集成化設計，利用發(fā)動機余熱對動力電池進行加熱，同時采用同一套空調系統(tǒng)對駕駛室和電池進行制冷。然后，根據(jù)動力電池所需制冷功率以及加熱功率，對動力電池熱管理系統(tǒng)進行設計計算及零部件匹配選型。最后開展實車測試驗證，證明了動力電池熱管理系統(tǒng)設計方案滿足要求，本文提出的動力電池熱管理系統(tǒng)解決方案可靠有效。

關鍵詞：動力電池；熱管理；設計計算；測試驗證

中圖分類號：U462.1；U462.2" " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）01-0016-06

Research on design method of thermal management system for power battery of Hybrid Electric Vehicle

KE Jiong ， SONG Hong-gui ， MENG Guo-dong ， ZHOU Jian-gang

（Dongfeng Commercial Vehicle Technology Center， Wuhan 430056， China）

Abstract： According to the characteristics of hybrid electric vehicles and the working characteristics of power batteries， this paper proposes an innovative and effective solution to the thermal management system of power batteries. This solution integrates the engine thermal management system， cab air conditioning system and battery thermal management system together， uses the engine waste heat to heat the power batteries， and uses the same air conditioning system to cool the cab and batteries. Then， according to the cooling power and heating power required by the power battery， the thermal management system of the power battery is designed and calculated， and the components are matched and selected. At last， the real vehicle test and verification prove that the design scheme of the power battery thermal management system meets the requirements， and the power battery thermal management system solution proposed in this paper is reliable and effective.

Key" Words： power battery; thermal management; design; test

柯" " 炯

畢業(yè)于華中科技大學，工學碩士學位，現(xiàn)就職于東風商用車技術中心，任新能源動力總成開發(fā)主管工程師，主要從事新能源汽車動力電池系統(tǒng)和整車熱管理系統(tǒng)研究，已發(fā)表文章2篇。

1" " 前言

隨著全球環(huán)境污染以及氣候變暖問題日益嚴峻，減少汽車尾氣排放已經(jīng)成為世界各國共同面臨并亟待解決的問題。從能源安全、環(huán)境保護、技術進步、產(chǎn)業(yè)升級等多個角度考慮，全球各國政府都把新能源汽車作為重點發(fā)展方向，并加以扶持和推廣。而節(jié)能與新能源汽車的發(fā)展是我國減少石油消耗，降低二氧化碳排放，推動汽車產(chǎn)業(yè)轉型，確保國家能源戰(zhàn)略安全的重要舉措之一。我國新能源汽車在過去的幾年中呈現(xiàn)出市場爆發(fā)式增長的態(tài)勢[1]。

動力電池系統(tǒng)是電動汽車的核心部件，也是電動汽車的動力來源。鋰離子動力電池的最佳工作溫度范圍在15℃～35℃之間，允許工作的溫度范圍在0℃～45℃之間。動力電池工作溫度若超過這個區(qū)間，其性能不僅會受到影響，而且還會出現(xiàn)安全問題。我國國土面積大，-30～55℃的環(huán)境溫度已經(jīng)成為越來越多電動汽車所需要面對的場景[2]。為了使電動汽車能夠在我國任何地區(qū)任何季節(jié)都能夠正常行駛，動力電池熱管理系統(tǒng)顯得尤為重要。

混合動力汽車在保留傳統(tǒng)發(fā)動機的基礎上，增加了電驅動系統(tǒng)。通過電驅動系統(tǒng)的介入，可以保證發(fā)動機工作在高效區(qū)，以達到提升燃油經(jīng)濟性以及降低污染物排放的目的。混合動力汽車動力電池目前主要采用高充放電倍率的鋰電池?；旌蟿恿ζ囈曰靹幽Ｊ焦ぷ鲿r，動力電池需要不斷的進行大倍率充放電，發(fā)熱量較大。為了滿足動力電池的散熱需求，目前混合動力汽車動力電池散熱解決方案主要以液冷為主。

2" " 動力電池熱管理系統(tǒng)設計計算

2.1" "動力電池熱管理系統(tǒng)原理

動力電池熱管理系統(tǒng)基本功能主要包括：動力電池溫度過高時對動力電池進行有效散熱降溫，動力電池溫度過低時對動力電池進行快速加熱升溫，同時需要保證電池組溫度場均勻分布，降低電池單體之間的溫度差異。一般情況下，電池單體之間的溫度差不超過5℃；快速加熱時電池單體之間的溫度差不超過8℃。

本文提出的集成式動力電池熱管理系統(tǒng)方案如圖1所示。該方案為液冷方式，流體介質為50%水-乙二醇溶液。動力電池熱管理系統(tǒng)主要包括水泵、加熱器、制冷器、膨脹水箱、溫度傳感器、電磁閥和管路等。

制冷原理：當動力電池溫度高于35℃時，就要對其進行散熱降溫，以保證其能夠在最佳溫度范圍內工作。我國南部地區(qū)夏季的環(huán)境溫度經(jīng)常會超過35℃。傳統(tǒng)的車載風扇型散熱器已經(jīng)不能滿足動力電池的散熱需求。利用空調冷媒對動力電池進行散熱是一種有效的散熱解決方案?？照{冷媒和電池冷卻液進行熱交換主要通過制冷器進行。制冷器利用空調冷媒給動力電池冷卻液降溫，降溫后的冷卻液再對動力電池進行散熱，帶走電池工作過程中產(chǎn)生的熱量。本文提出的熱管理方案將駕駛室空調系統(tǒng)和電池熱管理系統(tǒng)進行集成化設計，采用同一套空調系統(tǒng)，降低整車成本。駕駛室和動力電池的制冷由蒸發(fā)器支路的電磁閥和制冷器支路的電子膨脹閥進行控制。

加熱原理：混合動力汽車主要以發(fā)動機工作為主，發(fā)動機正常工作時，發(fā)動機冷卻液溫度高達80℃，因此當動力電池溫度過低時，可以利用發(fā)動機冷卻液對動力電池進行加熱。這樣不僅可以保證動力電池快速升溫，還可以達到發(fā)動機廢熱利用的目的。利用加熱器，就可以實現(xiàn)發(fā)動機冷卻液和動力電池冷卻液之間的熱交換。動力電池的加熱過程則由加熱器發(fā)動機冷卻回路側的加熱常閉電磁閥進行控制。

水泵作為動力電池溫控系統(tǒng)的動力源，保證冷卻液循環(huán)流動，從而實現(xiàn)冷卻液和電池之間的熱交換。

2.2" "動力電池熱管理系統(tǒng)設計計算與元件匹配

進行動力電池熱管理系統(tǒng)的設計，了解動力電池工作過程中的發(fā)熱情況是首要條件。鋰離子動力電池在工作過程中的熱量來源有兩個：電化學反應熱和極化熱（歐姆極化、濃差極化、電化學極化等）。鋰離子電池的電化學反應熱較低，可以忽略。極化熱計算方法如下：

式中：Pd為極化產(chǎn)熱功率，W；I為工作電流，A；η為各類極化過電位，η=E-U" 。

E是電池的開路電壓或平衡電壓，與電池的SOC有關，并受溫度影響，V；U是電池的工作電壓，同樣受SOC和溫度影響，V。

混合動力汽車動力電池在工作過程中，電池SOC保持在35%～75%之間，電池內阻變化小，因此電池發(fā)熱量可以根據(jù)直流內阻和平均使用電流來進行計算。直流內阻可以通過充放電測試得到。據(jù)此得到動力電池工作過程中的平均發(fā)熱功率為：

式中：Pr為電池發(fā)熱功率，W；I為平均工作電流，A；r為動力電池直流內阻，mΩ[3]。

當冬季車輛運行時，電池初始溫度過低，會限制電池的充放電功率。本文選用的電池單體，當動力電池溫度低于15℃時，動力電池充放電功率就會受到限制。因此，需要對動力電池進行加熱，提高電池溫度。根據(jù)整車定義的加熱時間需求，可以得到電池平均需求加熱功率為：

式中：Ph為動力電池平均加熱功率，W；c為動力電池比熱容，J/（kgK）；m為動力電池質量，kg；ΔTb為電池加熱前后溫差，K；t為加熱時間，s。

當動力電池冷卻液對動力電池進行加熱或制冷時，冷卻液和電池之間的溫差：

式中：ΔT為冷卻液和電池之間的溫差，℃；P為動力電池需求的制冷或加熱功率，W；Ra為冷卻液和電池之間的總熱阻，℃/W。

其中，總熱阻Ra是導熱熱阻Rs、對流傳熱熱阻Rv和擴散熱阻Rsp的總和[4]，即：

其中導熱熱阻：

式中：Li為導熱材料厚度，m；Ki為導熱材料導熱系數(shù)，W/mK；As為導熱材料面積，m2。

對流傳熱熱阻：

式中：h為對流傳熱系數(shù)，W/（m2K）；Av為對流傳熱接觸面積，m2。

擴散熱阻：

實際工程應用時，由于As和Av接近，擴散熱阻占比很小，可以忽略不計。

動力電池冷卻液對流傳熱系數(shù)：

式中：Nμ為流體努賽特數(shù)；Kc為流體熱導率，W/mK；d為電池液冷管道橫截面當量直徑，m。

流體在流動過程中，會出現(xiàn)層流、過渡流和湍流三種狀態(tài)。流體的流動狀態(tài)和流體的雷諾數(shù)Re相關。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s；μ為流體粘度，kg/m·s。

臨界雷諾數(shù)一般取4×103。當雷諾數(shù)大于4×103時，流體為湍流狀態(tài)；當雷諾數(shù)小于2.1×103時，流體為層流狀態(tài)；當雷諾數(shù)介于兩者之間時，流體為過渡流狀態(tài)[5]。

當流體為層流狀態(tài)時：

當流體為過渡流狀態(tài)時：

當流體為湍流狀態(tài)時：

式中：Pr為流體普朗特數(shù)；l為流體管道長度，m。

根據(jù)以上公式，通過迭代計算，可以得到滿足動力電池加熱功率和制冷功率時流體的流速v，根據(jù)流體流速進一步可計算可到流體流量Q：

通過加熱需求和制冷需求計算得到的流量需求取大值即為系統(tǒng)流量需求。

動力電池熱管理系統(tǒng)流阻ha包括系統(tǒng)元件內部流阻ht、管道沿程阻力hx和管道局部阻力hp。元件內部流阻ht可根據(jù)廠家提供的元件流量—流阻特性曲線獲得。管道沿程阻力：

式中：ε為沿程阻力系數(shù)，根據(jù)圖2可得到不同材質管路的沿程阻力系數(shù)；lx為管路長度，m；vx為管道內部冷卻液的流速，m/s；dx為管徑，m。

管道局部阻力：

式中：δ為局部阻力系數(shù)。90°圓管彎頭取0.2，漸縮漸擴管取0.3；vp為局部管道內部冷卻液的流速，m/s。

系統(tǒng)總流阻：

根據(jù)動力電池發(fā)熱功率Pd、系統(tǒng)流量Q、流體溫度等參數(shù)，可以進行制冷器的匹配設計；根據(jù)加熱功率Ph、系統(tǒng)流量Q、電池冷卻液溫度、發(fā)動機冷卻液溫度、發(fā)動機冷卻液流量等參數(shù)，可以進行加熱器的匹配設計；根據(jù)流體流量Q和系統(tǒng)阻力ha，可以進行水泵的匹配設計?？紤]到中間損耗，在進行制冷器和加熱器的匹配設計時，制冷器制冷功率應為電池發(fā)熱功率Pd的1.1～1.2倍，加熱器加熱功率應為電池需求加熱功率Ph的1.1～1.2倍。

本文通過以上計算過程求得的計算結果，完成了對制冷器、加熱器、水泵、空調壓縮機的匹配選型和管路的設計工作。

3" " 動力電池熱管理系統(tǒng)測試驗證

本文將匹配的動力電池熱管理系統(tǒng)布置在一款混合動力車型上，并開展了實車動力電池加熱測試和動力電池制冷測試。

3.1" "動力電池加熱測試

將混合動力整車放置在低溫倉中進行降溫。低溫倉溫度調節(jié)至-25℃，并等到動力電池最高溫度降低至-25℃±2℃時開始動力電池加熱測試。動力電池加熱過程中發(fā)動機水溫和動力電池進口冷卻液溫度變化如圖3所示。由圖3可知，發(fā)動機水溫維持在80℃左右，電池進口冷卻液溫度在發(fā)動機水溫的加熱下快速升溫。通過調節(jié)加熱電池閥，保證電池進口冷卻液溫度維持在40℃～60℃之間。

電池加熱過程中，電池溫度變化如圖4所示。剛開始電池和冷卻液溫度相差大，電池溫度上升較快。隨著電池溫度的逐漸升高，電池和電池冷卻液之間的溫差逐漸減小，電池溫升速率逐漸降低。電池加熱1800s后，電池最低溫度由-26℃上升至0℃；電池加熱3600s后，電池最低溫度上升至16℃。在電池加熱過程中，電池溫差被控制在8℃以內。根據(jù)試驗結果可知，動力電池加熱滿足設計要求。

3.2" "動力電池制冷測試

將混合動力整車放置在轉轂試驗臺上。轉轂試驗臺環(huán)境溫度調節(jié)至35℃，動力電池初始溫度調節(jié)至30℃。啟動車輛，并開啟駕駛室空調，將駕駛室設定溫度調節(jié)至22℃，鼓風機開啟至最高檔。啟動轉轂，通過控制油門和剎車，在轉轂試驗臺上模擬電池以持續(xù)最大能力連續(xù)充放電的工況。動力電池充放電電流如圖5所示。電池制冷過程中，電池進液口冷卻液溫度變化如圖6所示。由于駕駛室空調開啟，為了維持駕駛室的制冷效果，不斷調節(jié)電池制冷閥，電池進液口冷卻液溫度波動較大，但總體維持在25℃左右。

電池冷卻過程中，電池溫度變化如圖7所示。在動力電池進行大倍率充放電的過程中，動力電池溫度持續(xù)上升。當動力電池最高溫度超過35℃時，電池制冷開啟。電池制冷開啟后，電池溫度上升速率降低，但電池溫度持續(xù)上升。在5200s左右時，電池最高溫度上升至44℃，之后溫度不再繼續(xù)上升?？梢耘卸ǎ藭r電池已達到熱平衡，電池溫度不會繼續(xù)升高。根據(jù)試驗結果可知，動力電池制冷時，電池最高溫度小于45℃，滿足設計要求。

5" " 總結

本文首先提出了一種創(chuàng)新有效的動力電池熱管理系統(tǒng)解決方案。該方案將發(fā)動機熱管理系統(tǒng)、駕駛室空調系統(tǒng)和電池熱管理系統(tǒng)進行了集成化設計，利用發(fā)動機余熱對動力電池進行加熱，使整車廢熱得到有效利用，提升了整車經(jīng)濟性。同時采用同一套空調系統(tǒng)對駕駛室和電池進行制冷，共同使用空調壓縮機和冷凝器，節(jié)省了整車成本，優(yōu)化了整車布置空間。

然后，根據(jù)動力電池的工作特性，本文提出了動力電池熱管理系統(tǒng)設計計算方法。利用本文提出的計算方法，可以計算得到動力電池熱管理系統(tǒng)的制冷功率需求、加熱功率需求、系統(tǒng)流量需求以及系統(tǒng)流阻特性等。并根據(jù)計算結果匹配滿足系統(tǒng)需求的水泵、制冷器、加熱器和空調壓縮機等關鍵系統(tǒng)零部件，指導系統(tǒng)管路設計。

為了進一步研究動力電池工作過程中的加熱升溫過程和制冷散熱過程，并驗證所匹配動動力電池熱管理系統(tǒng)零部件能否滿足動力電池系統(tǒng)需求，本文對匹配的電池熱管理系統(tǒng)開展了整車試驗研究。測試包括低溫加熱測試和高溫轉轂測試。測試結果表明，本文提出的動力電池熱管理系統(tǒng)方案和設計計算方法是十分可靠的。本文設計的動力電池熱管理系統(tǒng)，滿足動力電池的加熱需求和制冷需求。

本文的研究工作為動力電池熱管理系統(tǒng)的設計提供了參考，具有十分重要的工程應用價值。

參考文獻：

[1]王芳，夏軍等. 電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設計[M]. 北京：科學出版社，2016.9.

[2]王芳，夏軍等. 電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術[M]. 北京：科學出版社，2017.8.

[3]李相哲，蘇芳等. 電動汽車動力電源系統(tǒng)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2011.9.

[4]余小玲，吳偉烽，劉飛龍. 傳熱學：電力電子器件熱管理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013.6.

[5]王秋旺，曾敏. 傳熱學要點與解題[M]. 西安：西安交通大學出版社，2006.8.

專家推薦語

吳杰余

東風汽車集團有限公司技術中心

新能源汽車總師" 研究員級高級工程師

該文提出了利用發(fā)動機余熱的集成式解決方案，系統(tǒng)介紹了混合動力汽車電池熱管理系統(tǒng)的計算方案，值得借鑒。為電池熱管理系統(tǒng)的性能指標優(yōu)化方向，探索了方向。