基于磷酸鐵鋰動力電池熱管理系統的開發

何紹清 雷南林 沈帥 宋冰

摘 要：針對電動汽車動力電池高溫循環壽命短、低溫充放電容量低等問題，開發了一種動力電池熱管理系統，該系統可實現高溫散熱、低溫保溫加熱，以減少溫度對電池特性的影響。本文通過分析磷酸鐵鋰動力電池容量、壽命及生熱特性，分析了動力電池包整體尺寸及包內布置方案。本文采用自然散熱方式，并通過分析動力電池生熱特性，制定了合理的控制動力電池生熱的策略。最后試驗結果驗證了該熱管理系統適用于磷酸鐵鋰動力電池。

關鍵詞：動力電池;熱管理;電池特性

1 引言

電動汽車表現出的續航里程短、循環壽命低等難題一直是制約電動汽車高速增長的主要因素，這些因素對環境溫度比較敏感，動力電池在高溫工作時，循環壽命縮短，安全性能下降;低溫工作時，充放電容量衰減嚴重，且多次低溫循環對安全性也有一定影響[1]。而且動力電池的溫度特性在短期內很難取得突破性進展，這是由動力電池本身化學特性決定[2]。為降低動力電池化學特性短板對整車的影響，需通過熱管理手段改善動力電池工作環境，減少外部環境對動力電池工作環境的影響，從而降低對整車的負面影響。同時由于大部分純電動轎車動力電池包布置空間小，設計動力電池熱管理系統時應兼顧動力電池特性與純電動轎車的動力電池包布置空間。

2 鋰離子動力電池熱管理方案

該熱管理系統在低溫工作時，對磷酸鐵鋰動力電池進行加熱保溫;高溫工作時，進行散熱。然而，增加熱管理裝置受限于車輛的布置空間，同時從磷酸鐵鋰動力電池溫度特性知，該類型動力電池易受低溫影響，放電生熱相對較少，且具有優異的高溫熱穩定性。因此，本文采用低溫加熱保溫，高溫自然散熱方式進行熱管理。

動力電池包低溫加熱采用加熱片裝置。對于加熱片位置，可布置于動力電池間、動力電池上表面和下表面、上包蓋和下包體內側。若動力電池間布置加熱裝置，加熱片的固定較為困難，且增加動力電池包體積和成本。動力電池包底部和頂部具有一定的空間，但由于動力電池表面存在模組框，加熱片無法布置于動力電池表面，所以加熱片應布置在上包蓋或下包體。若上包蓋放置加熱片，在進行開包操作時存在一定困難，所以加熱片較為理想的布置位置為動力電池包下包體。對于加熱片功率分布，因后箱動力電池（48個）放置方式、高度、重量等與前箱（60個）不同，所以需考慮前后箱加熱板功率分布。

加熱片工作時，由于包壁為金屬結構，導熱率較大，熱量會從包壁損失，應采取必要的保溫措施，但從散熱角度分析，當動力電池在夏季工作時，保溫材料的厚度同樣影響熱量散失，所以散熱與保溫之間存在矛盾。由于本文研究的車輛使用區域夏季高溫溫度較低且高溫天數較少，經分析對動力電池壽命影響較小，所以動力電池包僅采用保溫設計。對于保溫材料的厚度，由于動力電池包布置空間的限制，保溫材料厚度為3mm。

3 磷酸鐵鋰動力電池建模仿真

3.1 動力電池包散熱仿真

為研究動力電池在絕熱條件以及自然散熱條件下溫度場變化情況，對動力電池在1C放電情況下的溫度場進行仿真，（a）為絕熱條件下動力電池1C放電的溫度云圖，（b）為自然散熱條件下動力電池1C放電的溫度云圖。自然散熱條件下動力電池最高溫度為34.1℃，相比絕熱條件下的動力電池溫度并無明顯變化。由此可知，動力電池在絕熱條件下的溫度變化可近似代表動力電池包內最高溫度變化。

3.2 動力電池包加熱仿真

動力電池加熱片功率較小時，動力電池加熱時間較長。加熱片功率較大時，若加熱片控制失效，則會引起安全問題[4]。鑒于這兩方面因素，加熱片阻值確定為120Ω，加熱功率1KW。當控制失效時，溫度值低于動力電池熱穩定溫度，不會引起安全問題，且動力電池加熱時間較短。加熱片功率大小按照前后動力電池導熱功率進行分布。之后仿真得動力電池加熱條件下溫度云圖，前后端溫度平均值近似相等，加熱板功率分布較為合理。

3.3 動力電池包保溫仿真

為研究保溫材料對動力電池加熱效果的影響，對動力電池包有保溫（3mm厚的保溫棉）和無保溫兩種結構進行仿真。初始溫度為-10℃且加熱片功率相同的動力電池包穩態溫度分布云圖。保溫結構對加熱效果影響較大，在有保溫條件下，動力電池溫度明顯增加。若電動車空間允許的情況下，可適量增加保溫材料厚度，減少加熱過程中的熱量損失（動力電池包內最高點溫升變化近似為動力電池在絕熱條件下的溫升變化，不必考慮散熱問題）。

4 試驗驗證分析

為研究動力電池實際放電升溫以及加熱升溫情況，將動力電池包在絕熱環境下進行放電以及加熱升溫試驗，結果如圖1（a）、（b）所示，通過試驗結果可知，在絕熱環境下，動力電池包仿真放電溫升以及加熱溫升與試驗溫升具有較高的吻合度，說明動力電池包仿真模型較為準確，并說明所選的動力電池的熱管理方案是能夠保證動力電池的工作溫度區間在合理的范圍內，確保了動力電池的循環壽命以及低溫充電量。

5 總結

本文利用磷酸鐵鋰動力電池容量易受低溫影響，高溫對動力電池循環壽命衰減影響較少的特點，結合整車布置空間，確定磷酸鐵鋰動力電池采用低溫加熱保溫，高溫自然散熱的熱管理方案，并為此展開仿真試驗，驗證了方案的準確性。

1）基于動力電池產熱機理，通過試驗的方法求得動力電池熱物性參數，從而建立動力電池生熱模型;

2）對于散熱系統設計，因受限于動力電池布置空間，同時考慮到高溫對動力電池循環壽命衰減影響較少的特點，本文采用自然散熱方式;

3）并通過分析動力電池生熱特性結合動力電池布置，分析加熱裝置功率分布對加熱溫度場的影響，確定加熱裝置的分布功率，縮短加熱時間，從而提高加熱效率;

4）分析得出具有保溫結構的動力電池包自然散熱能力較弱，然而其對加熱影響較大，在空間允許的情況下，可適量增加其厚度，減少熱損耗。

參考文獻：

[1]王青松，孫金華，陳思凝等.鋰離子動力電池熱安全性的研究進展[J].動力電池，35（3）：240-241.

[2]沈帥.純電動汽車電池箱熱特性研究及熱管理系統開發[D].吉林大學，2013.

[3]岳仁超.動力電池管理系統的研究[D].北京：北京交通大學大學電氣工程學院，2010.

[4]動力電池成組高效冷暖裝置研制與流變熱控性實驗研究[D].谷燕龍.吉林大學 2015.