動力電池液冷液熱系統的應用研究

(上汽大通汽車有限公司，上海 200438)

0 前言

動力電池作為新能源汽車(純電動、混合動力和燃料電池)的核心部件，目前主流的動力電池多選用三元或磷酸鐵鋰電池，因其本身特性使續航里程和使用壽命直接制約了新能源汽車技術的快速發展[1]。尤其是鋰電池容易受環境溫度變化的影響而無法正常工作。在高溫環境下(45 ℃以上)長時間工作時，其使用壽命會急劇縮短，同時影響整車安全性。在低溫環境下(0 ℃以下)其充放電容量又會大幅度降低，使車輛無法工作。隨著新能源汽車技術的迅速發展，動力電池的熱管理需求逐步提高，液冷方案已經逐漸替代了強制風冷和自然冷卻方案，并成為主流冷卻方案[2]。在動力電池高溫工作穩定性問題得到較好解決后，如何在電池液冷方案的基礎上進行升級，解決動力電池低溫條件下的性能衰減問題，已成為行業內關注的重點。

本文針對某款混合動力汽車用三元電池熱管理系統進行研究，結合電池冷卻系統和整車空調采暖系統重新優化整合了1套能在冬季氣候條件下有效縮短電池充電時間，并提升車輛運行時電池性能的電池加熱系統方案。經過仿真分析和試驗驗證優化，達到了預期目標。

1 三元動力電池的熱特性

1.1 三元動力電池的最佳使用溫度

動力電池的循環壽命與使用溫度密切相關，實際上無論是三元電池還是磷酸鐵鋰電池，其最佳工作溫度范圍均為15～35 ℃[3]。隨著溫度的升高或降低，偏離最佳工作溫度越遠，動力電池的充放電性能的下降就越明顯。圖1為某款三元動力電池在不同溫度下的放電性能的變化，其充電也呈現同樣的特征。

圖1 不同溫度下某電池放電性能曲線

1.2 三元動力電池高溫下的循環壽命

過高的工作溫度不但會降低電池的充放電性能，還會大幅度降低三元動力電池的循環使用壽命。該款三元動力電池在25 ℃環境下工作時，其2 000次循環充放后的容量保持率為86.8%，環境溫度上升到35 ℃時，其2 000次循環充放后的容量保持率為85.4%，如圖2所示。鋰電池的循環使用壽命變化隨著溫度升高先呈現小幅度下降，當環境溫度繼續上升至45 ℃左右時出現明顯下降，到達55 ℃左右時出現斷崖式大幅度下降，圖3為隨著溫度上升該動力電池循環充放電至80%容量保持率的循環次數變化曲線，在45 ℃和60 ℃時分別出現明顯的拐點。

圖2 某動力電池35 ℃環境下的容量衰減曲線

為了使動力電池能在較高的環境溫度下依舊能正常工作并保障其安全性和較長的使用壽命，高效的電池冷卻系統必不可少。目前，強制液冷系統是三元動力電池冷卻方案的主流，可以確保動力電池即使在40 ℃以上的環境下仍能維持正常工作，使用壽命幾乎不受影響。

1.3 低溫下的充電特性

與高溫一樣，低溫環境也會極大地影響鋰電池的充放電性能。在冬季時，充電時間會明顯變長，車輛行駛過程中動力電池性能大幅度衰減。在某些極端情況下(如氣溫低于-10 ℃時)，由于低溫限制了動力電池允許的充電電流，少量的充電電流帶來的電池自發熱完全不能使電池升溫到允許大電流充電的要求溫度，動力電池就無法繼續充電，用戶將面臨車輛無法工作的問題。表1為某款三元動力電池在低溫條件下允許的充電電流限制。可以發現在環境溫度為-10 ℃以下時電池只能以非常低的電流進行充電，使得充電完成時間大幅度增加。

1.4 動力電池生熱功率模型

為了對電池熱性能進行分析就必須對電池充放電過程的生熱狀態進行研究。由于電池生熱速率很難精確測量，因此普遍采用數學模型進行描述。其中美國伯克利大學D.BEMARDI提出Bemardi方程作為電池生熱速率方程，該公式如下

(1)

2 混合動力電池熱管理系統

2.1 動力電池冷卻方式

目前，常見的動力電池冷卻方式主要有自然冷卻、強制風冷和強制液冷。其中自然冷卻由于冷卻效果不佳，主要運用在冷卻需求不高的一些磷酸鐵鋰動力電池上。而三元電池由于能量密度高，瞬間發熱量大，普遍采用強制風冷或強制液冷。常見的強制風冷或強制液冷冷卻結構如圖4所示，其關鍵是冷卻介質的不同，帶來的冷卻效果差別很大，強制液冷具有更好的冷卻效果，但結構復雜，成本較高。

2.2 動力電池強制液冷方案

整車開發中，為了更好地利用布置空間并降低物料成本，電池熱管理的液冷系統往往和乘客艙空調制冷系統進行集成。利用1個專用的熱交換器實現電池冷卻系統的冷卻介質與空調系統換熱，其工作原理見圖5。即使在40 ℃以上的環境溫度下，這套系統能穩定地將電池包內溫度控制在25～35 ℃范圍內，且不同位置的電芯溫差小于5 ℃。

圖5 電池冷卻系統與乘客艙空調系統集成示意圖

2.3 基于液冷方案的電池加熱方案

動力電池加熱方案，目前行業內普遍采用在電池包內布置電加熱膜或者正溫度系數(PTC)加熱器2種方案[4]。但對于具備圖5結構的液冷系統的動力電池而言，再在電池包內部增加加熱膜和PTC加熱器不僅缺乏效率，又會因為復雜的結構和控制策略導致其面臨失效風險。通過對熱交換器的升級，在原來空調制冷劑和電池包冷卻液熱量交換的基礎上增加了整車采暖系統的熱交換裝置。可以利用車輛上用以供暖的高壓PTC裝置來實現，如圖6所示，這樣既簡化了系統結構又大幅度降低了整車成本。實際使用時，在車輛行駛前的充電過程中，采暖用高壓PTC通過充電樁電源同步加熱動力電池支持充電，同時還能為乘客艙暖風系統和發動機冷卻系統(插電式混合動力)進行預熱，既強化了動力性又改善了舒適性。

對于采用電池液冷方案的新能源純電動汽車也可以采用該方案，只需要將發動機冷卻回路從圖6系統中去除。

圖6 電池加熱/冷卻系統與乘客艙空調采暖系統集成示意圖

2.4 電池加熱方案的控制方式

整車在插槍開始充電時，發動機處于停止工作狀態，電池管理系統(BMS)根據環境和動力電池內部溫度判斷是否起動電池加熱功能。電池加熱功能起動后，在圖6系統中，通過充電設備取電，高壓PTC開始工作，電子調節閥A和電子調節閥B相繼運作，確保PTC暖水回路中的液體不再流經PHEV發動機和乘客艙散熱器，僅流經熱交換器。同時，電池冷卻液循環中的電子水泵也開始工作，促使動力電池內部換熱升溫。當電池溫度上升至一定范圍內，通過BMS和相關控制器控制，高壓PTC和電子水泵停止工作，電子調節閥A和電子調節閥B復位，整車繼續正常充電。

3 電池加熱方案的驗證和優化

3.1 電池加熱方案的模擬仿真分析

根據整車相關部件性能參數，對溫度環境-30 ℃以下的動力電池進行持續加熱，其中電池冷卻液循環進口流量為12 L/min，高壓PTC升溫功率為3 kW(受車載充電機功率限制)，經過20 min的加熱后，電池內部溫度分部如圖7所示。此時電池內部加熱板(即冷卻水板)進口溫度上升至46.4 ℃，出水口溫度為42.8 ℃，進出水口溫相差3.6 ℃。

圖7 電池加熱20 min后電池模組溫度分布示意圖

根據動力電池充電前加熱仿真分析結果，在溫度環境-30 ℃下，加熱20 min后，動力電池內部平均溫度可到達20 ℃左右，已經可以滿足全負荷的充電需求。但仿真數據與實際往往會有一定偏差，需要進一步通過試驗驗證進行優化。

3.2 低溫情況下整車試驗驗證

根據客戶的使用需求，整車充電試驗設定了2種不同的工況。

(1)在低溫-30 ℃環境下，通過一段時間的加熱，電池內溫度是否能滿足充電要求，其結果見表2，平均溫度到達15 ℃，基本滿足設計期望。

(2)在低溫-10 ℃環境下，對比加熱系統工作和不工作狀態，及對充電時間的影響，其結果見表3。電池滿充時間縮短了近40%，基本滿足設計期望。

表2 環境溫度低于-30 ℃下某電池加熱后內部溫升

表3 環境溫度低于-10 ℃下某電池充電情況

3.3 低溫情況下整車充電方案的優化

通過整車試驗驗證了環境溫度在-30 ℃和-10 ℃的效果，基本滿足設計期望，也驗證了仿真模型和算法的合理性。同時也暴露了一些問題，其中最為關鍵的問題在于充電過程中加熱的時間順序上。多次試驗結果表明，先集中加熱再充電的效果是最好的，但在實際使用中，如果發現長時間電池加熱沒有進入充電狀態，或者用戶進行緊急短程使用的話，反而無法達到滿意效果。因此，針對電池充電過程中的加熱時間順序進行了進一步的研究和優化，設計了加熱—充電—加熱—充電交替進行的策略。雖然最終效果，比集中加熱后再充電增加了約10%的時間，但相比沒有加熱功能的情況，解決了環境溫度在-30 ℃下無法充電的問題，同時在環境溫度為-10 ℃條件下縮短了35%的充電時間，達到了設計預期。