淺析不同熱管理對電池壽命的影響

孫 佳 ，張紅濤，張宇鳳

（長安汽車股份有限公司 北京研究院，北京 100195）

淺析不同熱管理對電池壽命的影響

孫 佳 ，張紅濤，張宇鳳

（長安汽車股份有限公司 北京研究院，北京 100195）

通過對目前國內外汽車行業已投產及在研部分車型的調查，結合日常工作中發現的實際問題，針對這些問題進行了仿真分析及試驗驗證，根據試驗結論闡述不同種類的電池熱管理形式的環境適應性以及在不同環境下對電池壽命的具體影響。

電動汽車；鋰離子電池；電池熱管理；電池循環壽命

在過去的十多年，電動汽車的關鍵技術取得了許多的突破，但是在熱管理系統技術上還需要深入研究。為保證新能源汽車實現真正的產業化，不但需要技術更先進、品質更高的動力部件，更需要真正“堅強”的熱管理系統技術，其關鍵作用就是要保證驅動電機和電池安全使用，延長其壽命，充分發揮動力系統的能力。

電動汽車的熱管理系統可簡單分為3部分：①乘員熱管理，負責駕駛室乘員艙的采暖與降溫；②高壓電器熱管理，電機、充電機、DCDC、電機控制器等零部件冷卻；③電池熱管理，行車采暖與冷卻、駐車采暖與冷卻。本文將以目前最受各汽車企業青睞的三元鋰離子動力電池為例，對電池的熱管理部分進行著重闡述，具體分析不同類型的電池熱管理形式的優點與不足，對采用不同形式熱管理的車輛在不同的環境下使用的電池循環壽命進行理論估算。

1 鋰離子動力電池溫度特性

鋰離子動力電池受環境溫度影響，會引起性能、壽命等多方面變化。

1）性能特性 圖1為鋰離子電池的溫度適應區間以及在不同環境溫度下自身對熱管理的需求情況。

圖1 鋰離子電池溫度適應區間

圖2為某三元鋰離子電池在不同環境溫度下的放電特性曲線，可見溫度越高，電池的放電能力越好。

2）壽命特性 通過多組允差溫度段的試驗艙循環壽命試驗表明，隨著溫度的升高，電池的循環壽命會隨之縮短。圖3為某三元鋰離子電池在不同環境溫度下的1C循環壽命曲線，電池長期在極限溫度（55 ℃）下使用，循環壽命較之常溫使用減少了近8倍。

3）其他特性 另外，鋰離子電池存在0 ℃以下不可大電流充電、電池高溫熱分解及高溫安全等特性。這些特性為行業共識或與本文主題無關，所以暫不在此討論。

圖2 某三元鋰離子電池放電特性曲線

圖3 某三元鋰離子電池循環壽命

2 業內采用及擬采用的電池熱管理形式

電池熱管理可粗略地分為行車熱管理、駐車熱管理2部分。

2.1 行車熱管理系統

為保障車輛能在相對寬泛的環境溫度下的使用并保障電池循環壽命，行車熱管理系統的配備勢在必行。對于行車熱管理通常有以下5種常見形式。

2.1.1 無熱管理

常見于國內生產的低速電動車、特種場地車或對于電池芯體溫度特性有很強信心的生產企業（如比亞迪E6、日產LEAF、三菱i_miev等）。

優點：成本低廉，達到相同安全指標工藝簡單，可靠性高；缺點：使用環境對車輛性能影響大，高低溫使用受限。

2.1.2 自然風冷

曾見于國內部分汽車企業（海馬、奇瑞等）與高等院校的校企聯合進行技術儲備的預研車型中，由于目前動力電池多安裝于車輛地板下方，絕緣故障等眾多因素未見于批量生產車型中。

優點：對車輛高溫使用范圍有一定的提升；缺點：絕緣等級無法保障，淋雨、涉水試驗無法完成，用戶感受差。

2.1.3 艙內引風式

大量應用于中國汽車生產企業目前投放市場的先期車型，目前市場占有量較大的江淮ieV4就屬于此類行車熱管理形式，結構簡圖見圖4。

圖4 艙內引風行車熱管理

優點：較大幅度地提升了車輛的高溫使用范圍，也一定程度上提升了電池低溫性能（-10～0 ℃效果明顯），對電池包的200 mm以下涉水能力也有較大提升。缺點：整車使用一套空調箱，針對電池與成員需求不同工況無法兼顧，而且由于從乘員艙內引風，風量需求較大時將引起乘員艙負壓，感受明顯。

2.1.4 獨立強制風冷/暖式

目前采用獨立強制風冷/暖熱管理形式的主要為美國CODA公司與長安汽車的部分車型（E30等），結構簡圖如圖5所示。

圖5 獨立強制風冷/暖行車熱管理

優點：動力電池有完全為自身服務的空調箱，解決了共用一套空調箱的控制邏輯與用戶滿意度問題。極大程度地提升了車輛的高低溫運行環境（-20～50 ℃）。并且由于不再需要與車體進行密封，車輛絕緣等級也得以優化，300 mm以上涉水得以實現。缺點：結構過于復雜，車輛總布置困難，成本較高，維修困難，電池快換功能實現較困難等。

2.1.5 液冷/暖式

目前采用液冷/暖熱管理形式的主要有美國通用公司的volt與上汽集團的榮威E50（目前只具備液冷功能）等車型，結構簡圖如圖6所示。

圖6 液冷/暖行車熱管理

優點：兼具風冷的溫度調節功能，并通過采用比熱更大的液體循環對電池包進行冷卻，很大程度上避免了以往由于風冷系統的結構設計不合理引起的電池包內芯體溫度差異過大的問題，volt的包內溫差更是優化到了4 ℃以內。缺點：成本過高，維修困難，快換功能實現非常困難等。

2.2 駐車熱管理

為實現電池低溫充電功能，高緯度地區銷售的車輛應具備駐車充電加熱功能；為保障在高溫環境下使用仍能實現快速充電，高溫地區車輛也應采用駐車降溫系統。常見的駐車熱管理形式主要有以下4種。

2.2.1 電阻絲、電熱板加熱

早期的國產電動汽車大多曾采用，但由于技術成熟度較差，目前市場上已不多見，昌河等部分企業仍在使用。

優點：成本低廉，可使車輛在一定的環境低溫下（-15～0 ℃），通過外接電源形式恢復充電功能。缺點：加熱效果不均勻，電池包內溫差大；BMS對發熱元件監控困難，安全隱患大；發熱元件功率較低，升溫速度慢。

2.2.2 發熱膜

從2010年開始，越來越多的汽車企業不約而同在駐車熱管理方案上選擇了發熱膜這一方向，也就是2.2.1方案的升級版本。通過在電池模組的芯體間固定加熱膜或在軟包電池側面粘貼加熱膜的形式對電池包內進行加熱。

優點：溫升速度較快，電池包內溫差得到一定程度的控制，方案安全性也較2.2.1有較大程度提升。缺點：適用于較大容量的單體，隨著膜片數量的增加，BMS的信息采集難度及數量都大幅上升，加熱膜片產品本身技術成熟度與可靠性有待提升。

2.2.3 強制風冷/暖

可進一步使電池的可充電環境溫度下限降低到-20 ℃，具體方案形式參見2.1.4。但值得一提的是，部分車型如三菱i-miev在不使用行車熱管理的同時，乘員艙的熱管理系統在駐車充電時將對電池進行強制風冷/暖，取得相同效果。

2.2.4 強制液冷/暖

功能及原理參見2.1.5小節的介紹。

3 車輛常用工況及實際使用的溫升特性

為了進一步了解純電動汽車在行駛過程中的電池溫升情況，并對降溫需求量增進掌握，特對業內幾款已上市純電動轎車進行了環境艙熱害試驗，發現伴隨著車輛級別的上升，車重與電量選擇也出現了同步增加。通過一系列試驗，許多車型的試驗結果也出現了驚人的相似，見表1。

表1 常用工況溫升表

在環境艙的熱害試驗基礎上，開始了針對實際使用工況的溫升研究工作，通過對多個試驗個體的監控，得到了車輛在實際使用中的電池溫升情況。圖7對其中2天的代表數據進行了展示，車輛實際使用溫升與通過對環境艙內溫升試驗數據分析的預估結果非常接近。

圖7 車輛實際使用溫升圖

4 國內25個示范運行城市環境特性

接下來對全國25個電動汽車示范運行城市的氣候特征進行了收集和整理，對電池熱管理的需求方向進行了歸納。

1）需要加熱功能的城市，包括北京、天津、鄭州、濟南、大連、唐山、長春、沈陽、呼和浩特。

2）需要制冷功能的城市，包括重慶、深圳、上海、合肥、廈門、襄陽、武漢、長沙、南昌、杭州、蘇州、海口、廣州、南通。

可以不用熱管理的城市，包括昆明、成都。

4）另外，濟南、鄭州等靠近分界線的城市，同時需要制冷和加熱。

5 不同熱管理對電池循環壽命影響

在做好全國25個示范運行城市的氣候情況調查后，回過頭來看電池壽命的計算工作。首先先確定一個概念，電動汽車電池循環壽命到底指的是哪項壽命？電池循環壽命的定義通常有2種方式：①定功率巡航循環壽命，顧名思義也就是通常指的固定功率進行循環壽命試驗；②固定工況循環壽命，即按照某固定工況（NEDC工況等）的車輛輸出功率曲線進行循環壽命試驗。

下文明確本次計算輸入，按照方式①進行。充電按照1C，車輛原始續駛里程設定為160 km，城市選取了4個典型城市：北京、重慶、深圳、瓊州，溫度壽命梯度5 ℃，循環壽命數據已進行過試驗，使用的電池單體壽命、模組壽命、整包壽命數據取2012～2013年行業水平。

以重慶地區2011年溫度數據為例，無熱管理情況下計算過程見表2。

表2 重慶地區計算數據

以此為基礎，對4個城市的電池循環壽命進行了計算，并對比了無熱管理、駐車熱管理、完全熱管理（行車、駐車熱管理）進行了壽命對比計算，壽命見表3，從左至右依次為無熱管理、駐車熱管理、完全熱管理。

但這2個試驗方式只是汽車企業對外宣傳的手段，對于實際使用的循環壽命來說只具有一定指導意義。

表3 4個城市計算數據

圖8為某汽車企業的一款電動汽車產品在北美地區進行的用戶實際使用情況調查。電池受熱管理系統影響的壽命計算初步計劃也將以車型投放市場后的實際使用工況進行。

6 結語

在世界范圍內來說，電動汽車都是一項新興技術，電動汽車的熱管理領域的研究更是近乎空白，而熱管理系統對于電動汽車的市場競爭力的意義卻十分重大。

從本文的分析可知，在高溫環境下，無電池熱管理的電動汽車無法快充，無法長時間高速使用，無法頻繁加減速，在低溫情況下無法充電，動力經濟性大幅度下降。而一個好的電池熱管理系統可以大幅提升電動汽車的核心競爭力，加大適應運行環境，延長動力壽命等。

圖8 用戶實際使用情況調查

我們現在要做的是要在電動汽車研發之初，對車輛的運行工況、投放區域、客戶需求進行預判，選擇適合的電池熱管理形式。并在接下來的日子里不怕困難勇于實踐，提升壽命仿真精度，為整車開發提供支持！為中國電動汽車產業貢獻力量！

（編輯 楊 景）

Analyses the Influence of Different Thermal Management on Battery Life

SUN-Jia， ZHANG Hong-tao， ZHANG Yu-feng
（Beijing Changan Auto R＆D Center， Changan Automobile Co.， Ltd.， Beijing 100195， China）

Through the research on domestic and foreign vehicle modes both in market and under research， combining with the practical problems found in daily work， simulation analysis and experiment validation are carried out to solve those problems. Based on test results， the article elaborates on environment adaptability of different kinds of battery thermal management and specific effects on battery life brought by different environment.

electric vehicle； Lithium battery； battery thermal management； battery cycle life

U463.632

A

1003-8639（2017）05-0005-05

2016-10-19

孫佳（1983-），男，工程師，主要從事純電動車輛電驅動系統設計集成相關工作；張紅濤（1983-），男，工程師，主要從事整車原理設計及線束設計相關工作；張宇鳳（1984-），女，工程師，主要從事純電動項目產品開發工作。