混合動力新能源車發動機加熱電池研究及驗證

劉志平

（比亞迪汽車工業有限公司汽車工程研究院電動車技術開發中心，廣東 深圳 518118）

新能源和節能環保是趨勢，國家對新能源汽車大力扶持推進，新能汽車已成為當今汽車行業的發展趨勢。動力電池作為新能源車的動力源，其工作性能直接影響整車動力性能。目前鐵電池、三元電池在新能源車中有著廣泛的應用，某車型充放電試驗證明，其充放電性能在低溫環境下比較差，如在-20℃時，用0.3C充放電，充放電容量約為常溫25℃時最大充放電容量的75%。因此，在低溫下，對電池進行預加熱，是提高該類電池低溫充放電性能的有效方法之一。文獻中提出采用高低頻交流電直接對電池電解液進行加熱，這種方法雖然能夠很快達到加熱電池的效果，但對加熱電源及其設備要求高，設計搭載在車上難以實現。

本文針對混合動力汽車設計了一種利用發動機冷卻液作為熱源給電池加熱的方案，并進行了整車改裝車；在低溫環境中試驗驗證，并對加熱實驗數據效果進行分析；整個加熱系統安全可靠，相對于其他單獨加熱源（如加熱器、熱阻絲、加熱膜、熱泵等）給電池加熱，充分利用發動機冷卻系統回路中的高溫熱源，節能、成本低；在特定工況下，可以替代單獨的加熱器加熱。

1 不同溫度電池充放電性能

電池在不同溫度下，其充放電性能都不一樣，在高溫高寒中，電池性能下降，影響充放電量及瞬時充放電功率，從而影響整車的瞬時動力性、可靠性及其最終續駛里程此外，電池長期處在高溫高寒的環境中工作，會大大影響電池自身的壽命。

在低溫下，電池充放電能力大大降低，充電電流限制，充電時間變長，嚴重影響電池自身的使用性能。

如表1，某型三元電池抽取兩個樣品電池包1#、2#，在不同溫度下對其進行充放電測試：常溫25℃，兩個電池包平均充電容量35.1Ah，充電比率100%；低溫0℃，兩個電池包均充電容量下降到32.05Ah，充電比率91.3%；低溫-10℃，兩個電池包均充電容量下降到28.25Ah，充電比率80.5%；可見，在低溫-10℃下，電池充電比率下降了19.5%，影響電池自身的充放電量；不僅如此，溫度更低的時候，影響程度更大。所以電池加熱，目前對于新能源車在低溫環境下，具有重要意義。

表1 某三元電池在不同溫度下充放電數據表

2 發動機加熱方案及其原理

如圖1所示，本文設計通過控制調節閥、三通閥，在某工況需求狀態下，將發動機模塊冷卻系統管路與電池包換熱模塊串聯，或保持各系統獨立。在電池低溫狀態下，發動機啟動或行車，當發動機冷卻系統水溫達到某工作溫度時，整車控制調節閥，使發動機冷卻系統管路與電池包換熱模塊串聯，同時控制三通閥切換，將發動機散熱器短路，水泵工作，發動機冷卻系統的高溫冷卻液直接流經電池包換熱模塊，通過換熱器換熱，給電池加熱，如此循環，達到對動力電池包進行加熱的目的，讓電池包內電池單體快速升溫，電池充放電性能（充放電功率、容量）快速恢復到常溫狀態。

3 試驗及結果分析

3.1 試驗準備步驟要求

圖1 發動機電池加熱系統示意圖

圖2 改車測試驗證圖

如圖2改車后實車測試驗證圖，將低電量的某車放置在-12℃低溫艙臺架上長時間保溫，電池達到要求溫度-12℃時，開始按規定的車速工況行駛，發動機冷卻液溫度上升到一定溫度后，調節閥、三通閥轉動，讓發動機高溫冷卻液流經電池包換熱模塊，把電池加熱到一定溫度，進入行車充電模式。

3.2 試驗數據結果分析

如圖3車速-時間變化曲線圖，右縱坐標棕色曲線為車速變化，橫坐標為時間h，試驗過程中，車在臺架上行駛，駕駛員模擬車輛在實際公路上以中高速工況行駛，車速基本維持在60～120km/h，發動機轉速維持在1800～2200r/min之間。

圖3 車速-時間變化曲線

如圖4發動機及電池回路水溫變化曲線圖，右縱坐標橙色曲線為發動機回路水溫變化值，水溫基本穩定在80～85℃左右；左縱坐標藍色曲線為電池回路水溫變化值，水溫不斷上升，最高達到39℃，滿足對電池的加熱需要。

圖4 發動機及電池回路水溫曲線

如圖5電池溫度變化曲線圖，縱坐標為電池溫度變化值，兩條分別為電池單體最高最低溫度變化曲線，試驗開始時，電池初始溫度為-12℃，發動機啟動車輛在實驗室臺架上行駛了2h，前1h電池溫升速率較小，后1h電池溫升速率較大，隨著加熱電池溫度不斷上升，電池溫度升至12℃，此時溫度下的電池充放性能基本可以滿足常態要求，全過程電池溫差1℃，很小。

以上數據表明，通過發動機冷卻水作為熱源間接加熱電池，加熱效果明顯，電池溫度上升速率約0.2℃/min，能使電池充電功率最終進入常溫狀態，保證其低溫環境下的充放電性能。

圖5 電池溫度變化曲線

4 發動機加熱電池優缺點

（1）充分利用發動機冷卻液的熱量，達到廢熱利用的目的。（2）在一定工況下，可以輔助代替單獨的電加熱器加熱電池，節省電能。（3）低溫充放電限功率，加熱后，使電池自身充放電性能恢復到常態。（4）長期使用過程中，保證電池在整車使用時的安全性、可靠性，同時有利于延長電池的使用壽命。但是，本設計方案以發動機冷卻液作為熱源加熱電池，加熱速率較單獨的PTC加熱小；車輛在低速（即發動機低轉速）行駛中，熱源熱量小，此時加熱電池效果不明顯，在很好的利用發動機冷卻液熱量的同時，一定時間段，還需單獨的加熱器兼并加熱。

5 結語

車輛長時間處在低溫天氣環境中，電池自身充放電性能受限，充放電功率小，充電時間長，且充放電容量低，還影響車輛行駛的安全性及電池使用壽命。本文設計方案在搭載三元電池的混合動力新能車上進行改裝并進行試驗驗證，從上述發動機加熱電池方案試驗數據結果研究分析，利用發動機冷卻液熱源加熱電池，一定工況下，不僅解決了混合動力新能源車低溫下電池充放電性能差的問題，保證了電池的長期使用壽命，而且還充分利用發動機的余熱，一定程度上達到了節能的效果。該方案設計合理，不僅僅限用于三元電池混合動力新能車，是一種在低溫環境下利用發動機冷卻液熱量給電池加熱的可行方案。