基于不同熱管理方案的動力電池低溫動力性研究

王春，余小東，尹福利，吳偉杰，喻成，蘇琳珂

（重慶長安新能源汽車科技有限公司，重慶 401120）

新能源汽車快速發(fā)展的同時(shí)也面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。充電時(shí)間、續(xù)駛里程、安全性等均受到動力電池的影響。鋰離子動力電池在不同的環(huán)境溫度下表現(xiàn)出不同的特性。高溫環(huán)境下，動力電池在大倍率充放電過程中會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量，如果動力電池產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)疏解會在動力電池內(nèi)部積累導(dǎo)致動力電池溫度升高，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生爆炸。低溫環(huán)境下，可用能量和功率衰減嚴(yán)重影響了動力電池的續(xù)駛里程及低溫動力性。低溫環(huán)境下，動力電池功率特性變差和充放電效率下降是制約電動汽車發(fā)展的因素之一。因此，電動汽車在高、低溫環(huán)境下的熱管理研究是新能源汽車的發(fā)展重點(diǎn)之一。

動力電池的熱管理可分為高溫環(huán)境下的冷卻管理和低溫環(huán)境下的加熱管理。高溫冷卻技術(shù)可以分為空冷、液冷、熱管冷卻和相變冷卻。低溫加熱技術(shù)主要分為內(nèi)部加熱法和外部加熱法，內(nèi)部加熱法是利用動力電池本身產(chǎn)生的焦耳熱來實(shí)現(xiàn)的，但其對動力電池的壽命和安全性的影響尚不明確，且在電動汽車領(lǐng)域還處于研究的初級階段，因此應(yīng)用較少；外部加熱法是利用高溫氣體、高溫液體、電加熱板、相變材料以及珀?duì)栙N效應(yīng)等手段通過外部熱源實(shí)現(xiàn)對動力電池的加熱，這種方法主要依靠外部熱源對動力電池進(jìn)行加熱，相比內(nèi)部加熱法更安全。

液體冷卻因其較高的換熱效率和散熱速度，在電動汽車領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。而在液體冷卻的基礎(chǔ)上改變冷卻液溫度即可在低溫環(huán)境下對動力電池進(jìn)行加熱，不需要增加額外設(shè)備成本?，F(xiàn)階段針對動力電池低溫?zé)峁芾淼难芯恐饕性诔潆姛峁芾矸矫?，對電動汽車行駛過程的熱管理策略研究較少。本文基于AMESim的1D仿真模型，針對電動汽車行車過程中的低溫?zé)峁芾聿呗怨δ芊治霾煌娏縼碓匆约安煌跏糞OC下啟動低溫行駛加熱功能對動力電池放電功率的影響，旨在通過低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)提升動力電池低溫動力性，并對電動汽車低溫行車過程中的熱管理方案提供一定的指導(dǎo)。

1 低溫?zé)峁芾碓砗喗榧胺桨冈O(shè)計(jì)

1.1 低溫?zé)峁芾碓砗喗?/h3>

本文以某款電動汽車低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理為例，設(shè)計(jì)低溫加熱方案，如圖1所示，主要包括PTC、PTC回路水泵、Chiller（熱交換器）、電池回路水泵、液冷系統(tǒng)、動力電池和管道。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)根據(jù)動力電池的最低溫度對動力電池進(jìn)行低溫加熱管理，當(dāng)動力電池需要加熱時(shí)，PTC加熱PTC回路的冷卻液后通過Chiller對電池回路冷卻液進(jìn)行加熱，電池回路通過液冷系統(tǒng)對動力電池進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)動力電池溫度控制。

圖1 動力電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理

1.2 低溫?zé)峁芾矸桨冈O(shè)計(jì)

電動汽車預(yù)加熱功能作為電動汽車的一種低溫?zé)峁芾聿呗裕脩舾鶕?jù)出行需求提前一段時(shí)間設(shè)置是否開啟此功能。在用戶開啟此功能后，電動汽車熱管理系統(tǒng)會根據(jù)電池溫度判斷是否需要開啟動力電池加熱。此功能可在一定程度上提升動力電池低溫特性。本文基于電動汽車預(yù)加熱功能進(jìn)行預(yù)加熱方案設(shè)計(jì)，研究預(yù)加熱功能對動力電池低溫動力性的提升效果。一般情況下，鋰離子動力電池在環(huán)境溫度為-10℃以下時(shí)，其容量和工作電壓下降嚴(yán)重，且根據(jù)電動汽車用戶大數(shù)據(jù)顯示，用戶最低使用環(huán)境溫度也在-10℃左右，因此，本文基于用戶實(shí)際用車環(huán)境，選定環(huán)境溫度為-10℃作為研究的最低溫度。此外，研究表明，鋰離子動力電池工作的最佳溫度區(qū)間為10～35℃，同時(shí)根據(jù)動力電池放電功率（表1）可知，動力電池溫度在10℃時(shí)，初始SOC在20%～100%之間均能滿足動力電池目標(biāo)放電功率（80 kW）的需求，因此，選定10℃為預(yù)加熱的目標(biāo)溫度。預(yù)加熱具體方案是在環(huán)境溫度為-10℃的情況下，通過PTC將動力電池溫度預(yù)加熱到10℃后進(jìn)行放電，根據(jù)PTC電量來源分為兩種：A方案，PTC電量來源于充電樁；B方案，PTC電量來源于動力電池。

表1 動力電池放電功率

2 基于Amesim的1D仿真模型

本文主要研究動力電池電壓和溫度變化情況，且動力電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)中以電池最低溫度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，因此，仿真模型標(biāo)定時(shí)以動力電池最低溫為準(zhǔn)。模型搭建前對動力電池電模型和熱模型進(jìn)行標(biāo)定。將試驗(yàn)邊界和試驗(yàn)電流輸入模型后，仿真電壓與試驗(yàn)電壓對標(biāo)結(jié)果如圖2所示，電壓誤差在4%以內(nèi)；仿真溫度與試驗(yàn)溫度對標(biāo)結(jié)果如圖3所示，溫度誤差在2℃以內(nèi)。對標(biāo)結(jié)果表明，仿真模型精度足夠進(jìn)行后續(xù)預(yù)加熱方案的仿真驗(yàn)證。仿真過程中控制PTC回路和動力電池回路冷卻液流量均為10 L/min，通過控制PTC功率（額定功率5 kW）保證動力電池回路液冷系統(tǒng)的冷卻液入口溫度為30℃。

圖2 電壓對標(biāo)結(jié)果

圖3 溫度對標(biāo)結(jié)果

3 預(yù)加熱對動力電池動力性的影響

通過預(yù)加熱功能將動力電池的初始溫度加熱到10℃，放電過程中不采取任何加熱措施，僅靠電池自身的保溫措施對電池溫度進(jìn)行保持，從而達(dá)到保證動力電池動力性的目的。這種方式在一定程度上能滿足動力電池動力性需求，但是受動力電池保溫性能影響較大。

3.1 電量來源對目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間的影響

動力電池預(yù)加熱的電量主要來自充電樁或者電池自身，不同的電量來源進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)對動力電池目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間的影響不同。當(dāng)動力電池進(jìn)行預(yù)加熱的電量來源于充電樁時(shí)，對動力電池自身電量無影響，而用動力電池自身電量進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)，會影響動力電池自身的電量，進(jìn)而影響動力電池目標(biāo)功率的持續(xù)時(shí)間。不同電量來源對動力電池不同初始SOC的目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量（與不進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)對比）的影響見表2。

表2 預(yù)加熱時(shí)的目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量

由表2可知，當(dāng)動力電池初始SOC為100%、90%、80%時(shí)，利用動力電池自身電量進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)會降低目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間，而用充電樁電量進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)則提高動力電池目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間；當(dāng)動力電池初始SOC為70%以下時(shí)，無論是利用充電樁電量還是動力電池自身電量進(jìn)行預(yù)加熱均能提升動力電池目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間。

動力電池放電功率與動力電池溫度和SOC直接相關(guān)，當(dāng)動力電池處于不同初始SOC時(shí)，進(jìn)行預(yù)加熱后放電過程中動力電池的放電功率和溫度變化如圖4～12所示。由圖可知，當(dāng)動力電池利用充電樁的電量進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)，目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間較對照組有所提升，但在初始SOC較高的情況下，隨著動力電池放電持續(xù)時(shí)間增長，電池溫度呈現(xiàn)下降趨勢，初始SOC越高放電結(jié)束時(shí)的溫度越接近對照組，因此，初始SOC越高，目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間的增量越?。划?dāng)動力電池利用自身電量進(jìn)行預(yù)加熱且初始SOC較高時(shí)，動力電池放電起始階段的放電功率高于對照組，但隨著放電時(shí)間增長，動力電池放電功率低于對照組，且初始SOC較高時(shí)動力電池自身放電功率已經(jīng)滿足目標(biāo)功率需求，此時(shí)進(jìn)行預(yù)加熱會造成電量浪費(fèi)。

圖4 初始SOC100%

3.2 環(huán)境溫度對目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間的影響

環(huán)境溫度是影響動力電池動力性的直接因素，不同環(huán)境溫度下動力電池的動力性表現(xiàn)不一樣，因此，在不同環(huán)境溫度下研究動力電池預(yù)加熱效果至關(guān)重要。根據(jù)上一小節(jié)的分析，不同環(huán)境溫度下動力電池預(yù)加熱效果從以下兩個(gè)方面分析。

圖5 初始SOC90%

圖6 初始SOC80%

圖7 初始SOC70%

圖8 初始SOC60%

圖9 初始SOC50%

圖10 初始SOC40%

3.2.1 預(yù)加熱電量來源于充電樁

圖11 初始SOC30%

圖12 初始SOC20%

當(dāng)動力電池預(yù)加熱電量來源于充電樁時(shí)，不同環(huán)境溫度（默認(rèn)初始狀態(tài)下動力電池溫度等于環(huán)境溫度）下目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間的增量見表3。由表可知，不同環(huán)境溫度下，目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量不同，且目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量隨著初始SOC降低呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；環(huán)境溫度越低目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量越大。

表3 不同環(huán)境溫度、不同初始SOC時(shí)的目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量

3.2.2 預(yù)加熱電量來源于動力電池

當(dāng)動力電池預(yù)加熱電量來源于動力電池自身時(shí)，不同環(huán)境溫度下目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間的增量見表4。由表可知，不同環(huán)境溫度下，當(dāng)預(yù)加熱電量來源于動力電池時(shí)，目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量不僅與動力電池初始SOC有關(guān)，同時(shí)還受到環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度越低，通過預(yù)加熱提升動力電池目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量的初始SOC越高。

表4 不同環(huán)境溫度、不同初始SOC時(shí)的目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量

4 預(yù)加熱+行駛加熱對動力電池動力性的影響

預(yù)加熱功能在一定程度上解決了動力電池低溫動力性不足的問題，但是預(yù)加熱策略一方面需要考慮預(yù)加熱電量的來源，另一面需要考慮動力電池初始SOC和環(huán)境溫度，且預(yù)加熱策略受用戶影響較大，如果用戶在高SOC時(shí)用車，在動力性未受到影響的情況下停止用車，會造成預(yù)加熱消耗的電量浪費(fèi)。此外，預(yù)加熱目標(biāo)溫度也對目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間有影響。因此，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，結(jié)合用戶實(shí)際用車情況，本文提出通過預(yù)加熱+行駛加熱（C方案）的低溫?zé)峁芾矸桨竵硖嵘齽恿﹄姵氐蜏貏恿π浴?/p>

4.1 預(yù)加熱+行駛加熱方案設(shè)計(jì)

動力電池放電功率受動力電池溫度和SOC的影響，不同的動力電池溫度和SOC對應(yīng)不同的動力電池放電功率。預(yù)加熱+行駛加熱方案以保持動力電池目標(biāo)功率80 kW為目的，預(yù)加熱時(shí)，當(dāng)動力電池放電功率＜80 kW時(shí)開啟加熱，動力電池放電功率＞85 kW時(shí)停止加熱；放電過程中，當(dāng)動力電池放電功率＜85 kW時(shí)開啟加熱，當(dāng)動力電池放電功率＞90 kW時(shí)停止加熱。

由表1可知，當(dāng)動力電池溫度為-10℃時(shí)，初始SOC在40%及以上時(shí)，不需要進(jìn)行預(yù)加熱，僅當(dāng)放電過程中動力電池放電功率不滿足加熱策略設(shè)定的目標(biāo)值時(shí)開啟加熱，同理當(dāng)動力電池溫度為0℃時(shí)，初始SOC在30%及以上時(shí)，不需要預(yù)加熱。這在一定程度上對預(yù)加熱的加熱策略進(jìn)行了簡化，且不會因用戶行駛里程較短而造成預(yù)加熱電量浪費(fèi)的問題。

4.2 預(yù)加熱+行駛加熱方案目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間

4.2.1 初始SOC≥40%時(shí)目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間

動力電池初始SOC在40%及以上時(shí)，由于不需要進(jìn)行預(yù)加熱，所以放電工況不需要考慮預(yù)加熱電量來源的問題，此時(shí)目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間見表5。由表可知，新方案提高了動力電池目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間，同時(shí)，與預(yù)加熱目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間相比，新方案對目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間的提升要大于預(yù)加熱方案。動力電池放電過程中，當(dāng)動力電池放電功率不滿足目標(biāo)功率需求時(shí)，開啟行駛加熱，動力電池放電過程中放電功率變化如圖13所示。由圖可知，當(dāng)動力電池放電過程中觸發(fā)預(yù)加熱+行駛加熱策略設(shè)定的加熱開啟功率時(shí)，開啟預(yù)加熱+行駛加熱功能，此時(shí)動力電池放電功率升高，從動力電池觸發(fā)預(yù)加熱+行駛加熱功能到停止該功能的時(shí)間約為12 min，且此過程中動力電池功率均能滿足目標(biāo)功率需求。

圖13 動力電池放電功率不滿足目標(biāo)功率需求時(shí)的變化曲線

表5 不同初始SOC時(shí)的目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量

4.2.2 初始SOC為30%、20%時(shí)目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間

當(dāng)動力電池初始SOC為30%、20%時(shí)，動力電池初始放電功率不能滿足目標(biāo)功率需求，因此，需要進(jìn)行預(yù)加熱。此時(shí)，按照預(yù)加熱電量來源對其目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析，見表6。

表6 不同電量來源、不同初始SOC時(shí)的目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量

由表6可知，當(dāng)利用充電樁的電量進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)，目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量仍然大于利用動力電池自身電量進(jìn)行預(yù)加熱，且與不進(jìn)行低溫加熱時(shí)相比，采用預(yù)加熱+行駛加熱方案提升了動力電池目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間。

當(dāng)動力電池初始SOC為30%、20%時(shí)，根據(jù)動力電池預(yù)加熱電量來源不同，動力電池放電過程中放電功率變化如圖14所示。由圖可知，當(dāng)動力電池初始SOC為30%時(shí)，動力電池放電過程中開啟預(yù)加熱+行駛加熱功能可以提升動力電池放電功率；當(dāng)動力電池初始SOC為20%時(shí)，開啟預(yù)加熱+行駛加熱功能同樣可以提升動力電池放電功率。

圖14 動力電池預(yù)加熱電量來源不同時(shí)的放電功率變化曲線

5 結(jié)論

本文針對動力電池低溫動力性問題，基于電動汽車常用的液冷熱管理系統(tǒng)，提出采用預(yù)加熱+行駛加熱的低溫?zé)峁芾矸桨笇恿﹄姵剡M(jìn)行低溫加熱。建立了AMESim的1D仿真模型，驗(yàn)證了預(yù)加熱和預(yù)加熱+行駛加熱兩種方案對動力電池低溫動力性的影響效果。動力電池在低溫環(huán)境下的動力性通過合適的低溫?zé)峁芾矸桨傅玫搅颂嵘唧w結(jié)論如下。

（1）當(dāng)采用預(yù)加熱方案對動力電池進(jìn)行低溫加熱時(shí)，預(yù)加熱電量來源、動力電池初始SOC和環(huán)境溫度均影響目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間增量，且當(dāng)動力電池初始SOC較高時(shí)，采用預(yù)加熱方案會造成電量浪費(fèi)。

（2）當(dāng)采用預(yù)加熱+行駛加熱方案對動力電池進(jìn)行低溫加熱時(shí)，能提升動力電池目標(biāo)功率持續(xù)時(shí)間。此外，動力電池從觸發(fā)低溫?zé)峁芾聿呗缘酵Ｖ沟蜏責(zé)峁芾聿呗缘臅r(shí)間為12 min左右，滿足用戶的實(shí)際用車需求。

（3）相比預(yù)加熱功能，行駛加熱+預(yù)加熱功能的控制邏輯簡單清晰，當(dāng)動力電池初始功率滿足目標(biāo)功率需求時(shí)不會進(jìn)行預(yù)加熱，該方案更能滿足用戶的實(shí)際用車需求，避免電量的浪費(fèi)。