純電動汽車PTC電池液熱系統水溫變化研究

柴業鵬 孔為 趙國華 朱廣燕 展標 張靜雅 李文

摘要：分析了一種純電動汽車動力電池熱管理系統的液熱系統過水PTC實際使用過程可能會出現的液體過溫問題，詳細論述其工作原理。搭建電池包液熱系統的試驗臺架，并運用臺架的溫度場分析，得到了電池包液熱系統的各位置溫度分布。試驗結果表明：隨著電池過水加熱PTC功率的提升，液體進水溫度會不斷提升，但在匹配的3kW過水加熱PTC不會出現液體過溫問題，可以正常使用。

Abstract： This paper analyses the liquid overheat problem that may occur in the actual use process of the liquid overwater PTC of a pure electric vehicle power battery thermal management system， and discusses its working principle in detail. The test bench of the battery envelope liquid heat system is constructed， and the temperature field analysis of the battery envelope liquid heat system is obtained. The test results show that with the increase of PTC power of over-water heating of the battery， the temperature of liquid water inlet will continue to increase， but in the matching 3kW over-water heating PTC will not have the problem of over-temperatureing of liquid， can be used normally.

關鍵詞：電池熱管理;PTC;液熱系統

Key words： battery thermal management;PTC;liquid heat system

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0189-02

0? 引言

隨著國內外電動汽車技術的迅速發展，鋰離子動力電池以其優異的充放電性能、較高的能量密度、低污染的特性，受到了各電動汽車車企的青睞。無論溫度是高于還是低于電池本身承受值，對新能源汽車的續航里程和電池壽命都會有所影響。因此，對電池的熱量管理顯得十分重要[1]。鋰離子電池的理想工作溫度區間為20-40℃[2]。我國廣大范圍的北方疆域，因冬季溫度較低，嚴重影響了新能源電動汽車電池的性能及表現，極大限制了我國新能源電動汽車在這些地區的推廣。因此，在低溫區域使用的新能源電動汽車需配備動力電池加熱系統。對于軟包電池，溫度偏高可能會導致密封失效，所以電池的最高溫度最好控制在60℃以內[3]。液體加熱是較為理想的加熱方式，因此對使用液體加熱電池系統的研究則愈顯重要。液體加熱常使用PTC（Positive Temperature Coefficient）作為熱源，本文對PTC實際使用過程中是否會出現過溫水的問題進行了研究。

1? 純電動汽車動力電池熱管理系統的液熱系統描述

1.1 純電動汽車動力電池熱管理系統的液熱系統描述

純電動汽車動力電池熱管理系統的液熱系統根據結構形式的不同主要分為：

①過水PTC液熱系統;

②電機余熱回收+ PTC液熱系統;

③熱泵+ PTC液熱系統。

目前限于電池成本及零部件體系等因素，國內大部分純電動車液熱模式較多選用過水PTC液熱系統，部分選用電機余熱回收+ PTC液熱系統，另有少部分選用熱泵+ PTC液熱系統。其中，過水PTC液熱系統作為行業內使用量較大的系統，因系統簡單、控制方式簡單得到了廣泛搭載使用;電機余熱回收+ PTC液熱系統則因系統較為復雜、余熱回收能力變化較大，搭載的項目較少;熱泵+ PTC液熱系統因其較高的成本、復雜的控制策略以及熱泵在極低溫下的不適表現，只有少數項目在進行開發。

1.2 純電動汽車動力電池熱管理系統的過水PTC液熱系統構成

純電動汽車動力電池熱管理系統的過水PTC液熱系統由動力電池系統（含液冷板）、循環水泵、水管、加熱器件構成。

1.3 純電動汽車動力電池熱管理系統的過水PTC液熱系統控制方式描述

純電動汽車動力電池熱管理系統是根據布置在電池熱管理系統內部的各溫度傳感器檢測各點溫度，通過電池管理系統（BMS）判斷來確定各零部件的運行模式和工作狀態。通過持續監測電池的溫度狀態、進出水及加熱器件的溫度狀態以及電池充、放電模式需求，根據設定控制策略不斷進行工作狀態的確認和運行模式的調整。

2? 一種純電動汽車動力電池熱管理系統的過水PTC液熱系統

2.1 動力電池系統

動力電池系統參數：

電池類型：三元鋰電池;

額定能量：49.68kWh;

額定電壓：331.2V;

模組數量：23;

系統串并方式：3并92串;

熱管理方式：液冷+液熱;

工作溫度區間：-30-55℃;

液冷板：口琴管，如圖1;

液冷管：PA12耐水解尼龍管。

2.2 過水PTC

額定電壓：350V，額定功率3kW。

2.3 水泵

工作電壓范圍：8-20V，最大功率：108W，最大電流：12.9A。

2.4 水管

正常連接液熱系統各件，保證密封性。

2.5 防凍液

50%乙二醇溶液;

25℃密度：1071.11kg/m3;

比熱容：3300J/（kg·℃）;

凝點：-33.8℃。

3? 一款純電動汽車動力電池熱管理系統的過水PTC液熱系統加熱過程的分析

3.1 PTC給液體加熱的階段

加熱過程為：

過水PTC通電加熱防凍液

防凍液經PTC加熱的溫升為？駐T=

3.2 液體給電池加熱的階段

加熱后的防凍液流經電池模組底部，通過導熱墊將熱量傳遞至模組中的電芯中，電芯吸熱溫度上升，防凍液則放熱降溫。

防凍液在電池包內釋放熱功率為：

4? 純電動汽車動力電池熱管理系統的液熱系統過水PTC實驗測試

4.1 測試條件

①環境溫度：-30±2℃。

②純電動汽車1臺、上位機、筆記本電腦1臺、USB-CAN盒1臺、快充樁。

4.2 軟件控制策略

當電池起始最低溫度低于0℃時，啟動循環水泵，流量12L/min，接通PTC，請求電壓350V，電流30A;當電池起始溫度達到10℃時，停止加熱。

4.3 電池和電池進出水溫度變化情況

如圖2，當電池最低溫度達到10℃時，加熱全過程電池進水溫度最高為27℃，距電池過溫點（60℃）較遠。進水能夠保持安全可靠的溫度條件。

5? 結論

我們通過某款純電動汽車動力電池熱管理系統的PTC液熱系統加熱過程的分析和實驗研究，排除了該款車型在低溫環境中通過過水PTC液熱系統來實現電池升溫的方式可能會出現液體過溫的可能，對后續這類車型在設計中提供有益的方案及經驗借鑒。

參考文獻：

[1]唐佳，張袁元，王玉國，等.一種液體介質的汽車電池熱管理結構設計與分析[J].機電工程技術，2019（07）：42-44.

[2]C.E.L.Foss，A.M.Svensson，O.Gullbrekken.Temperature effects on performance of graphite anodes in carbonate based electrolytes for lithium ion batteries[J].Energy Storage，2018（17）：395-402.

[3]W.Song，M.Chen，F.Bai.Non-uniform effect on the thermal/aging performance of Lithiumion pouch battery[J].Appl.Therm.Eng.2018（128）：1165-1174.