48 V輕混系統動力電池熱管理試驗方法研究

陳正東 于翔 王文葵 趙文天 李保權

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

1 前言

48 V輕混系統以其低成本和相對較高的節油性受到關注[1]。該系統通過協調控制帶傳動一體化起動/發電機（Belt-driven Starter Generator，BSG）及電池的輸出，使起停響應更快速、更平順，通過優化發動機工作區域增加有效功率輸出，并在整車滑行和制動時進行能量回收，可有效降低整車油耗10%[2]并顯著提高整車駕駛性和動力性。

48 V動力鋰電池的使用性能受溫度影響很大。當電池溫度超出其最佳工作溫度區間（20~40℃）時[3]，充放電效率隨之降低，系統輔助效果受限；當電池溫度進一步延伸至高、低溫限值時，考慮到電池的壽命與安全性，系統會對充放電功率進行限制，甚至直接斷開系統繼電器，使動力系統輔助功能中斷，同時節油功能消失。因此，研究48 V電池熱管理性能試驗方法，明確不同溫度對該系統的影響具有重要意義。

本文通過研究48 V動力電池在不同試驗條件下的熱管理性能對48 V輕混系統功能的影響，制定48 V電池熱管理性能的有效驗證方法，為48 V輕混系統車型的開發提供保障。

2 48 V輕混系統及熱管理性能

2.1 48 V輕混系統

目前，48 V輕混系統主要分為BSG與集成式智能起動/發電一體化電機（Integrated Starter Generator，ISG）2種布局方案，考慮到成本、傳統總成的通用性、平臺化和整車搭載性等方面的因素，目前大多采用BSG方案。典型的P0級架構BSG輕混系統布置方案如圖1所示，系統主要部件包括48 V電機、48 V動力電池、DC/DC控制器、12 V蓄電池。其中，48 V電機兼具起動、加速輔助、行車發電、能量回收等功能，48 V電池負責為整個系統存儲和提供能量，DC/DC控制器將48 V系統電壓轉換成12 V為整車用電器供電和為12 V電池充電。

圖1 P0級48 V輕混系統布置方案

2.2 48 V系統熱管理性能

本文以某款搭載P0級48 V輕混系統的車型為研究對象，該款車型的48 V系統整車布置結構如圖2所示，48 V電池布置在備胎艙內的后排座椅右下方，未設計專門的熱管理系統，依靠乘員艙和備胎艙內的循環風被動冷卻。由此可知，電池的溫度變化不受外部熱源影響，主要由電池充放電時電極和內阻產生的熱量以及電池與周圍空氣的對流換熱決定。電池生熱、電池溫升、對流換熱基本原理公式[4-5]為：

圖2 某車型48 V系統整車布置方案

式中，Q1為電池產生的熱量；Q為化學反應過程正、負極產熱量的代數和；I為電池充、放電電流；R為電池內阻；t為電池充、放電時長；Q2為電池吸收的熱量；c為電池的比熱容；m為電池的質量；T1為電池初始溫度；T2為電池結束溫度；Φ為電池與周圍空氣對流換熱量；h為對流換熱系數；A為對流換熱面積；tw為固體（電池）溫度；tf為流體（周圍空氣）溫度。

從能量守恒角度出發，電池所產生的熱量一部分被其自身吸收，其余均通過與周圍空氣對流換熱釋放。因此，車輛運行后，48 V系統開始工作，動力電池頻繁充、放電產生熱量，導致電池溫度不斷上升，假設在車輛開始運行的一段時間t1內，電池溫度由T′1上升到T′2，充放電電流和電池溫度均隨時間變化，電池周圍環境溫度受空調影響保持穩定。則存在如下關系：

由式（4）可知，電池溫度從T′1上升到T′2的時間段內，電池吸收的能量為固定值。因此，電池的充、放電電流越大、充放電越頻繁，電池產生的熱量和對周圍環境散發的熱量就越多，溫度上升也越快。

當車輛在48 V系統的輔助工作下，行駛到48 V電池達到熱平衡穩定狀態時，如果車輛繼續行駛一段時間t2，電池的溫度將保持不變，即T′1=T′2，Q2=0。存在如下關系：

由式（5）可知，電池達到熱平衡狀態后，平衡溫度tw取決于電池的當前充、放電電流。

電池的溫升速率和到達熱平衡狀態時的溫度均與電池的充、放電電流相關，通過試驗手段制定能夠使48 V系統以較高的充、放電電流頻繁參與整車輔助功能的試驗工況，探究其對電池溫升速率和電池平衡溫度的影響，對48 V電池的熱管理有重要意義。

考慮到電池充放電性能、壽命及安全性方面的因素[6]，針對圖2所示車型48 V電池設定的溫度策略包括：低于-15℃時，電池停止對外輸出電能；電池溫度在(65.0,68.8)℃范圍內時，對電池進行充、放電功率限制；電池溫度達到68.8℃時，將電池充、放電功率限制為零，等待電池溫度下降，而后恢復功率；電池溫度在(68.8,72)℃范圍內時，主動請求斷開繼電器；電池溫度達到74℃時，直接斷開繼電器。以上策略的溫度分界點是結合該款車型搭載的48 V電池的臺架試驗數據所制定的，?15℃的低溫分界點是考慮低溫條件下電池充、放電效率低以及對電池壽命的影響設置的，65℃分界點是考慮高溫對該款電池充、放電效率和壽命的影響設置的，68.8℃的分界點是考慮該款車型在電池溫度大于68.8℃后電池安全性存在一定隱患制定的。電池在72℃和74℃時，隨著溫度的提高，電池的安全隱患逐級升高；這些溫度界限與電池本身的特性有關，且均指電池內部模組的平均溫度，即48 V電池的平均溫度。

電池對外做功時的功率與電池充、放電電流之間存在如下關系：

式中，P為電池的充、放電功率；U為電池的電壓。

由式（6）可知，電池的充、放電電流不僅與電池溫度有關，而且直接影響48 V系統的對外輸出功率。

當電池達到熱平衡狀態時，電池的溫度是否超出電池管理系統（Battery Management System，BMS）設定的溫度策略限值，對于48 V系統輔助功能非常重要，由式（5）可知，電池達到穩定的熱平衡狀態后，若電池的充、放電電流穩定，電池的溫度與電池周圍的空氣溫度成正比。電池周圍空氣溫度受整車行駛的環境溫度和空調模式直接影響。因此，通過試驗手段確認不同環境溫度和空調模式組合下電池的熱管理性能，以及環境溫度低于電池低溫限值-15℃時電池熱管理性能對整車48 V系統開發的環境適應性有重要的指導意義。

3 電池熱管理試驗工況開發

在48 V系統整車設計開發中，電池的熱管理試驗工況應從用戶的整車使用角度出發，試驗工況應能夠全面覆蓋用戶工況。依據熱管理試驗經驗，考核工況一般涵蓋3種類型：中大負荷的穩態工況、大負荷的極限工況、正常行駛的瞬態工況。

3.1 中大負荷穩態工況

依據GB/T 12542—2020《汽車熱平衡能力道路試驗方法》[7]，針對乘用車的中大負荷穩態工況包括模擬山路爬坡工況和高速工況[8]，結合某企業關于考核乘用車零部件熱損害的試驗標準開展試驗。中大負荷穩態工況分別為：低速爬坡工況，代表用戶在熱帶山區道路行駛，如海南山區道路；高速爬坡工況，代表用戶在熱帶丘陵地區道路行駛，如貴州、重慶等地區省道；高速工況，代表高溫地區用戶高速行駛工況，如夏季新疆高速公路。各工況的具體內容如表1所示，各工況的環境條件如表2所示。

表1 試驗工況

表2 試驗環境溫度條件

在環境模擬試驗室按照表1和表2進行3種工況的試驗，測得48 V電池溫度、SOC及電流和電壓變化情況如圖3~圖5所示。試驗過程中，電池助力放電電流為負值，能量回收充電電流為正值，整車試驗過程中電池的電壓幾乎保持不變，由式（6）可知，電池的功率與電流成正比，因此，電流的變化趨勢也代表了電池做功的變化狀態。

圖3 低速爬坡工況試驗結果

圖5 高速工況試驗結果

由圖3可知：低速爬坡工況30 min內48 V電池溫度上升了2℃，SOC連續上升了9百分點。電池充電（回收能量）最大功率為0.35kW，回收電量28.51W·h；對外輸出助力最大功率為0.17 kW，輸出電量3.97 W·h。由圖4可知：高速爬坡工況30 min內48 V電池溫度上升了2℃，SOC連續上升了9百分點。電池充電最大功率為0.40 kW，回收電量25.9 W·h；對外輸出助力最大功率為0.18 kW，輸出電量3.58 W·h。由圖5可知：高速工況40 min內48 V電池溫度上升了1℃，SOC連續上升了17百分點。電池充電最大功率為0.44 kW，回收電量50.5 W·h；對外輸出助力最大功率為0.18 kW，輸出電量3.02 W·h。由于圖3~圖5中大負荷穩態工況下48 V電池充放電效率低，電池溫度上升幅度較小，且電池溫度為從整車動力CAN采集的電池平均溫度，該信號經過整車的濾波處理，比較平滑圓整，沒有小范圍的波動，因此呈現出階梯型緩慢的上升趨勢。

圖4 高速爬坡工況試驗結果

3.2 大負荷極限使用工況

在用戶使用的大負荷極限工況中，瞬態全油門加速工況最具代表性，整個工況加速過程中節氣門全開，發動機對外輸出扭矩達到峰值380 N·m（5500 r/min），整車動力系統熱負荷處于極限狀態，對考核整車零部件的瞬時耐溫極限有重要的指導意義。參照GB/T 12543—2009《汽車加速性能試驗方法》[9]，在環境溫度25℃條件下的整車試驗場進行連續9次0~120 km/h全油門加速試驗。試驗過程車速和48 V電池功率如圖6所示，測得48 V電池溫度、SOC狀態及電流、電壓變化情況如圖7所示。電池能量回收功率為正，對外助力輸出功率為負。

由圖6、圖7可知，在434 s內連續進行9次0~120 km/h全油門加速試驗，48 V電池溫度上升了1℃，SOC持續波動上升了25百分點。電池充電最大功率5.56 kW，回收電量126.9 W·h；對外輸出助力最大功率4.88 kW，輸出電量34.2 W·h。

圖6 全油門加速工況車速和電池功率變化過程

圖7 全油門加速工況電池參數試驗結果

3.3 正常行駛的瞬態工況

目前，行業內針對用戶正常行駛的瞬態工況是新歐洲駕駛循環（New European Driving Cycle，NEDC）[10]工況和全球輕型汽車測試循環（World Light Vehicle Test Procedure，WLTC）[11]工況。在整車環境模擬試驗艙內進行43℃下的48 V電池熱管理試驗，測得2種工況下的試驗結果如圖8所示。

圖8 正常行駛瞬態工況試驗結果

由圖8a可知，NEDC工況下1180 s內，電池溫度上升了4℃，SOC小范圍頻繁波動，極差值為23%。電池充電最大功率7.41 kW，回收電量139.2 W·h；對外輸出助力最大功率4.12 kW，輸出電量170.38 W·h。由圖8b可知，WLTC工況下30 min內，48 V電池溫度上升了10℃，SOC以較大幅值頻繁波動，極差值為44%。電池充電最大功率為8.82 kW，回收電量362.4 W·h；對外輸出助力最大功率為8.28 kW，輸出電量423.0 W·h。

3.4 各工況下48 V電池熱管理性能分析

比較各工況下整個試驗過程中單位時間內的電池溫升速率K、電池充電速率K1、放電速率K2，如圖9所示。

圖9 充放電速率、溫升速率比較

由圖9可知：各穩態工況下電池充放電速率均小于1.3 W·h/min，且圖3~圖5中SOC均呈現上升趨勢，試驗過程中未出現電池頻繁的充放電交互，導致溫升速率很低，均不大于0.07℃/min，故大負荷穩態工況不適合驗證整車48 V系統熱管理性能；在全油門加速試驗過程中，電池的充電速率較高，達到17.9 W·h/min，放電速率較低，僅4.7 W·h/min，可知加速過程助力作用較小，在減速過程中回收能量效果明顯，因此電池的溫升速率也不高，僅為0.14℃/min，連續9次全油門加速過程中，電池并未出現極端充放電情況，電池僅上升1℃，該工況也不適用于驗證48 V系統熱管理性能；在正常行駛的瞬態工況下，WLTC工況的電池溫升和充放電速率均較NEDC工況大，且效果遠遠優于其余各工況，將其用于考核48 V系統電池熱管理性能是最佳選擇。

4 電池熱管理試驗環境開發

4.1 高溫環境對電池平衡溫度的影響

在整車環境模擬試驗室內分別在25℃、35℃、43℃高溫條件下進行連續8個WLTC工況循環試驗，空調狀態均為最大制冷（外循環）模式。48 V電池溫度變化結果如圖10所示。

圖10 高溫環境條件下電池溫度變化情況

依據48 V電池熱管理試驗方法企業標準，可認為電池30 min內溫度變化不大于1℃即達到平衡狀態。由圖10可知，不同高溫環境中運行90 min（3個WLTC工況循環）后電池溫度達到平衡狀態。25℃環境下電池平衡溫度為50℃，比電池初始溫度上升了24℃；35℃環境下電池平衡溫度達到55℃，上升了21℃；43℃環境下電池平衡溫度為61℃，上升了19℃。達到平衡后，在43℃高溫條件下，空調策略的影響導致電池周圍空氣溫度變化，從而導致電池溫度波動，但未呈現出明顯的上升趨勢。由此可知：高溫條件下進行5個WLTC工況循環測試，電池即可達到平衡狀態，且環境溫度和電池到達平衡狀態的上升溫度存在一定關系，線性擬合結果如圖11所示。擬合相關系數大于0.99，相關性很好。

圖11 高溫環境條件下電池上升溫度變化情況

由圖11可知：在相同的車輛運行與空調設置條件下，隨著試驗環境溫度的升高，電池的溫升速率逐漸減小，但平衡溫度會隨環境溫度線性提高。依據擬合公式可以確定，當環境溫度為51.4℃時，電池溫升13.6℃，電池將到達高溫功率初始限值65℃。

4.2 低溫環境對電池平衡溫度的影響

在整車環境模擬試驗室內-25℃低溫環境下進行連續10個WLTC工況循環試驗，空調狀態設為最大采暖。48 V電池溫度、充放電功率、電池電量結果如圖12所示。

圖12 -25℃條件下試驗結果

由圖12可知：48 V電池溫度低于-15℃時充放功率為0，SOC基本保持不變，電池受保護策略影響，不對外做功。試驗開始后前95 min內電池的溫度僅受周圍空氣溫度變化影響緩慢上升，當溫度高于-15℃后，電池充放電功率逐漸增大，電池溫度快速上升，試驗進行到第240 min（完成8個WLTC工況循環）后，電池溫度達到平衡溫度33℃。

4.3 空調模式對電池平衡溫度的影響

在35℃環境溫度下，將空調狀態分別調整為最大制冷（內循環）和最大制冷（外循環）2種模式進行連續5個WLTC工況循環試驗。48 V電池溫度試驗結果如圖13所示。

圖13 不同空調模式電池溫度變化情況

由圖13可知：空調狀態最大制冷（外循環）模式下，電池的最高溫度達到67℃，超出電池溫度策略限值65℃，電池進入熱保護模式，是由空調模式不同使得電池周圍空氣溫度不同導致，試驗過程中電池周圍空氣溫度變化情況如圖14所示。

圖14 不同空調模式下電池周圍空氣溫度變化情況

由圖14可知：由于電池處于整車備胎艙后排座椅右下方，在空調最大制冷（外循環）模式下，鼓風機將外部的空氣抽入乘員艙內，增大了乘員艙的空氣壓力，乘員艙溫度較低的空氣通過車身流道持續進入備胎艙電池周圍，如圖15所示。電池周圍空氣溫度20 min內穩定在42℃。最大制冷（內循環）模式下，駕駛室內的空氣處于閉環內部流動狀態，壓力保持不變，低溫空氣無法到達電池周圍，因此電池周圍空氣溫度不斷升高，最后穩定在62℃。由此可見，不同的空調模式直接影響了電池周圍的空氣溫度，從而造成了電池達到平衡的溫度存在較大的差異。

圖15 外循環模式下乘員艙內空氣流動示意

5 結束語

本文通過對某款搭載48 V系統的車型進行不同方案下的48 V電池熱管理性能試驗，結果表明：正常行駛的瞬態WLTC工況下，48 V電池能夠頻繁充放電，且電池溫升速率和充放電速率遠大于其他工況，將WLTC工況用于驗證48 V電池熱管理性能最合適；高溫環境下，48 V電池達到平衡時的上升溫度與環境溫度存在一定的線性關系，在35℃、43℃、52℃環境溫度下連續進行5個WLTC工況循環能夠有效驗證48 V電池高溫熱管理性能，低溫-25℃環境溫度下連續進行8個WLTC工況循環能夠有效驗證48 V電池低溫熱管理性能。

空調的內、外循環模式對48 V電池平衡溫度影響很大。對于布置在整車備胎艙內的48 V電池，高溫環境條件下將空調置于最大制冷（內循環）模式時能更加有效地驗證電池的熱管理性能，低溫條件下將空調置于采暖模式，采用最大采暖（內循環）模式電池溫度上升較慢，因此在低溫條件下將空調置于最大采暖（外循環）模式時能更加有效地驗證電池的熱管理性能。建議P0級48 V車型開發時將電池置于乘員艙內：在高溫環境下，乘員艙內由于空調制冷對溫度的調節，電池周圍空氣溫度相對較低，可有效提高48 V電池的整車高溫性能；在低溫環境下，乘員艙內采用空調采暖進行溫度調節，電池周圍空氣溫度相對較高，可有效保證48 V電池在整車低溫環境條件下的性能。