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換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)分析

2020-07-24 15:54:15·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
作者單位：浙江吉智新能源汽車科技有限公司過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致電池的容量、壽命和能量效率的降低，若電池積聚的熱量無(wú)法及時(shí)散出，會(huì)導(dǎo)致熱失控的產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)電池
作者單位：浙江吉智新能源汽車科技有限公司
 
過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致電池的容量、壽命和能量效率的降低，若電池積聚的熱量無(wú)法及時(shí)散出，會(huì)導(dǎo)致熱失控的產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)電池有發(fā)生劇烈膨脹和爆炸的危險(xiǎn)。
所以，針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究，是非常有必要的。文章從動(dòng)力電池導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)上展開(kāi)研究，基于仿真模型，分析了不同整車工況下?lián)Q電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池的溫度變化情況，為提升電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硇阅芴峁┮欢ǖ募夹g(shù)參考。
 
1電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑夹g(shù)
通常來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要包括三大方面：冷卻、加熱及保溫。其中，冷卻熱管理技術(shù)的基本技術(shù)路線有：以空氣為介質(zhì)的熱管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱風(fēng)冷），以液體為介質(zhì)的熱管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱液冷），以制冷劑為介質(zhì)的熱管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱直冷），以相變材料為介質(zhì)的熱管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱相變冷卻）。冷卻熱管理技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合根據(jù)動(dòng)力電池產(chǎn)熱率和溫度環(huán)境的不同而不同。對(duì)于動(dòng)力電池產(chǎn)熱率較小、工作溫度較低的電動(dòng)汽車而言，可以考慮采用風(fēng)冷技術(shù)，其主要包括自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷。
 
目前，對(duì)于電動(dòng)汽車，電能補(bǔ)給模式主要有交流慢充、直流快充和電池快速更換3種。其中，采用電池快速更換的電動(dòng)汽車，電池充電主要在換電站中進(jìn)行，這種模式既能滿足車輛運(yùn)行需求，又能避免電池快充對(duì)壽命產(chǎn)生影響。
換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車由于運(yùn)營(yíng)工況較好、電池包整體溫升較小，同時(shí)考慮到動(dòng)力電池在頻繁拆換過(guò)程中，自然冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠、成本低、安全無(wú)泄漏及便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，所以文章主要對(duì)動(dòng)力電池包自然冷卻熱管理技術(shù)進(jìn)行研究。
2仿真模型的建立及驗(yàn)證
 
對(duì)于自然冷卻形式的電池包溫度的控制，主要是通過(guò)電池包內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)將模組內(nèi)電芯產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到電池包外部，從而降低電芯溫度，提升電池的容量、壽命及能量效率。圖1示出電動(dòng)汽車電池包導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)形式對(duì)比。電池包內(nèi)導(dǎo)熱方式，如圖1a所示，即電池模組與箱體之間，除了一些支撐金屬件外，主要為空氣層材料，電芯的發(fā)熱量通過(guò)模組傳遞給空氣層，空氣層再經(jīng)過(guò)箱體后，熱量傳遞到電池包外。
 
文章在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)一種新的導(dǎo)熱方式，如圖1b所示，即在電池模組和電池下箱體之間覆蓋一層導(dǎo)熱硅膠，電芯的發(fā)熱量通過(guò)模組傳遞給導(dǎo)熱硅膠，再經(jīng)過(guò)箱體后，熱量傳遞到電池包外，由于導(dǎo)熱硅膠良好的導(dǎo)熱特性，模組內(nèi)的熱量能更好地散出電池包外。
 
根據(jù)某車型及其動(dòng)力電池包數(shù)據(jù)，建立整車及動(dòng)力電池?zé)岱抡婺Ｐ?，如圖2所示。
 
為驗(yàn)證仿真模型的正確性，文章前期調(diào)研了換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行工況，并設(shè)計(jì)了運(yùn)行工況，如圖3所示。在此運(yùn)行工況下，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)普通結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的電池包進(jìn)行充放電測(cè)試，得到2種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池的溫度變化曲線，并與相應(yīng)的電池?zé)岱抡婺Ｐ蜏囟冉Y(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果，如圖4所示。
 
通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)電池?zé)岱抡娼Y(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)溫度變化趨勢(shì)一致。在放電終止時(shí)刻，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯實(shí)測(cè)溫度為40.34℃，仿真溫度為40.56℃；普通結(jié)構(gòu)電池包電芯實(shí)測(cè)溫度為34.25℃，仿真溫度為34.40℃。
 
在充電終止時(shí)，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯實(shí)測(cè)溫度為38.84℃，仿真溫度為38.75℃；普通結(jié)構(gòu)電池包電芯實(shí)測(cè)溫度為40.32℃，仿真溫度為40.42℃。
 
可以看出，實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度結(jié)果相差不大，最大差值僅為0.25℃，說(shuō)明文章中所建立的仿真模型能真實(shí)地反映換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中電池電芯的實(shí)際溫度變化情況。
 
3不同車輛運(yùn)行工況下動(dòng)力電池?zé)岱抡嬗?jì)算
 
基于建立的仿真模型，為分析換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車電池包導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)對(duì)電池包電芯溫度的影響，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，在城市工況及爬坡工況下，仿真對(duì)比2種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池的溫度變化結(jié)果。
3.1城市工況下?lián)Q電電池?zé)岱抡嬗?jì)算
 
城市工況下，換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車的實(shí)際工況和環(huán)境溫度變化，如圖5所示。城市工況按2天進(jìn)行，1天中分為2段WLTC工況運(yùn)營(yíng)過(guò)程及2段充電過(guò)程，其中WLTC工況運(yùn)營(yíng)過(guò)程持續(xù)6h。
充電過(guò)程中，電池包從電動(dòng)車換下后，置于換電站25℃環(huán)境中，持續(xù)2.5h，最后經(jīng)歷室外過(guò)夜的過(guò)程，此時(shí)電池包處于7h靜置狀態(tài)。第2天，電動(dòng)汽車重復(fù)前一天的運(yùn)營(yíng)過(guò)程。電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，環(huán)境溫度的變化根據(jù)運(yùn)營(yíng)當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓M(jìn)行設(shè)置。
 
圖6示出城市運(yùn)行工況下不同結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池溫度變化曲線。從圖6可以看出，在第1天的初始WLTC工況中，由于外界環(huán)境溫度較高，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包平均溫度比普通結(jié)構(gòu)略高一些。
 
充電過(guò)程中，電池包從電動(dòng)汽車上拆下后置于換電站中，換電站環(huán)境溫度為25℃，溫度較低，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包由于導(dǎo)熱性較好，電芯平均溫度較普通結(jié)構(gòu)下降快。
 
在室外過(guò)夜過(guò)程中，由于靜置時(shí)間較長(zhǎng)，環(huán)境溫度較低，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度下降較快，溫度較普通結(jié)構(gòu)電池包更低。
 
在2天的運(yùn)行工況中，經(jīng)歷第1次充電過(guò)程后，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度均低于普通結(jié)構(gòu)。其中，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度最高值出現(xiàn)在第2天第1個(gè)WLTC工況終止時(shí)刻，為41.7℃。普通結(jié)構(gòu)電池包電芯的平均溫度出現(xiàn)在第2天第2個(gè)充電過(guò)程中，為53.02℃。
 
通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在電動(dòng)車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包相較于普通結(jié)構(gòu)，電芯平均溫度下降更快，且溫度普遍較低，有利于換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池安全性能及壽命的提升。
 
3.2爬坡工況下?lián)Q電電池?zé)岱抡嬗?jì)算
對(duì)爬坡工況下的換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池發(fā)熱情況進(jìn)行仿真，如表1所示。
 
 
在2種爬坡工況下，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池溫度變化曲線，如圖7所示。按動(dòng)力電池SOC由95%降到5%的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。從圖7可以看到，爬坡工況2由于工況條件比較苛刻，持續(xù)時(shí)間較爬坡工況1短，而溫升遠(yuǎn)高于爬坡工況1。
爬坡工況1中，初始放電時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度差距較小，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)差距越大，截止到放電終止時(shí)刻（4604s），導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度為42.53℃，普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度為43.17℃；
爬坡工況2中，放電時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度差距變化趨勢(shì)與爬坡工況1一致，截止到放電終止時(shí)刻（2476s），導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度為47.71℃，普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度為48.44℃。
綜合來(lái)看，爬坡工況下，由于持續(xù)時(shí)間較短，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度差異較小。放電過(guò)程中，電芯發(fā)熱量一定，而導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包由于散熱能力較好，電芯平均溫度會(huì)低于普通結(jié)構(gòu)電池包。所以，爬坡工況下導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包會(huì)優(yōu)于普通結(jié)構(gòu)電池包，因?yàn)槠漭^低的電芯工作溫度，會(huì)提升換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池的安全性能及壽命。
4結(jié)論
對(duì)于換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車，由于運(yùn)營(yíng)工況較好，電池包整體溫升較小，同時(shí)考慮到動(dòng)力電池在頻繁拆換過(guò)程中，需要保證更加成熟可靠的技術(shù)及安全性能，采用自然冷卻熱管理方式的動(dòng)力電池是一種較好的選擇。
基于此，不同于普通結(jié)構(gòu)形式電池包，文章提出了一種新的動(dòng)力電池導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)提出的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的仿真模型，并按照設(shè)定工況，進(jìn)行了仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試。
通過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，在仿真模型正確性得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)城市工況及爬坡工況下2種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池的溫度變化結(jié)果進(jìn)行了仿真對(duì)比。
根據(jù)仿真結(jié)果可以得到，相較于普通結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包由于介質(zhì)導(dǎo)熱性能較好，所以整包散熱性能較好，電芯平均溫度較低，有利于動(dòng)力電池安全性能的提高和壽命的延長(zhǎng)，對(duì)換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池包的設(shè)計(jì)具有較高的參考意義。
 
 
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