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純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)研究

2021-09-15 20:24:29·  來源：汽車熱管理之家  
　
作者：柴業(yè)鵬1 孔 為2 趙國華1 朱廣燕1 展 標1 張靜雅1 李 文31.奇瑞商用車（安徽）有限公司新能源研究院2.江蘇科技大學 能源與動力學院3.合肥國軒高科動力能源
作者：柴業(yè)鵬1 孔 為2 趙國華1 朱廣燕1 展 標1 張靜雅1 李 文3
1.奇瑞商用車（安徽）有限公司新能源研究院
2.江蘇科技大學 能源與動力學院
3.合肥國軒高科動力能源有限公司產(chǎn)品工程院

摘要：通過研究純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)，掌握電池在高溫環(huán)境中（40 ℃）充放電的性能和低溫環(huán)境中（-30 ℃）的加熱性能，使動力電池系統(tǒng)的工作溫度可以滿足整車的正常充放電，增加動力電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命，為自然冷卻形式的電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)的設計提供了一種新思路和新方法。
 
由于新能源電動汽車的補貼與推廣作為國家大力支持的一項綠色節(jié)能政策，新能源汽車得到了迅速發(fā)展與推廣。2020年，我國的新能源乘用車銷量達到124.6萬輛，預計2021年將達到150萬輛。動力電池是整個電動汽車的核心部件，與電動汽車的性能和成本關(guān)系密切。與其他電池能源相比，鋰離子電池具有電壓高、質(zhì)量輕以及無污染等優(yōu)點。目前，純電動汽車使用的動力類型以鋰電池為主，主要包含三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，而鋰電池的安全工作溫度主要為0～55 ℃。溫度對電池的影響直接影響到整車的性能表現(xiàn)和使用壽命。電池對溫度的要求比整車更加苛刻，因此需要增加合理的電池熱管理系統(tǒng)，以保證電池處于適宜的溫度范圍。近些年，夏季超過40 ℃的高溫天氣越來越多，冬季也容易出現(xiàn)低溫天氣，車輛的行駛工況也越來越復雜，容易導致動力電池電芯溫度過高或過低，影響電池的充放電性能。有效控制溫度和溫差能顯著提升動力電池的安全性和可靠性。

1 純電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)
1.1 純電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
純電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，主要分為自然散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和液體冷卻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。目前，限于電池組成本、整車續(xù)航里程以及零部件系統(tǒng)可靠性等因素，國內(nèi)大部分純電動汽車依然選用自然散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
1.2 純電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)控制方式
 
純電動汽車動力電池系統(tǒng)將溫度傳感器布置在電池包內(nèi)的每個模組上，依據(jù)模組大小布置1～2個溫度傳感器。溫感布置點應能表征該模組的電芯溫度。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）采集各溫度值并對其進行判斷處理，依據(jù)預設的程序不斷調(diào)整動力電池系統(tǒng)的各個參數(shù)，并根據(jù)實時狀態(tài)確認不同的工作狀態(tài)。
2 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)
2.1 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)散熱方案
 
動力電池系統(tǒng)的散熱能力通過以下方程建立：
 
式中：Q為動力電池組總需求散熱量；Q1為動力電池包內(nèi)部電芯發(fā)熱量；Q2為電池包箱體及隔熱層傳熱量；Q3為動力電池內(nèi)銅排及電子器件的發(fā)熱量。
電池包箱體及隔熱層傳熱量Q2滿足：
 
式中：K為箱體及保溫層的熱導率；δ為箱體及保溫層的厚度；S為箱體及保溫層的面積。依據(jù)電芯的實際能力，控制充放電電流，保持電芯的溫度不會上升到保護閾值。
2.2 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)加熱方案
 
在計算動力電池組加熱能力時，同樣需要建立熱平衡方程：
 
式中：Q´為動力電池系統(tǒng)需要的加熱功率；為動力電池系統(tǒng)內(nèi)部電芯需要的加熱功率，
=∫cmdT，c為動力電池的定壓比熱容，m為動力電池的總質(zhì)量，T為電池溫度；
´為動力電池包的上下殼體及保溫層的散熱功率；
為動力電池因泄露傳出動力電池系統(tǒng)的熱功率。實際計算時，可根據(jù)實際情況簡化計算，計算后預留一定的加熱功率，總功率正常不超過計算值的120%。
2.3 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)實例
 
2.3.1 電池散熱結(jié)構(gòu)設計
動力電池系統(tǒng)高溫保護閾值為55 ℃。測試工況為電池起始溫度40 ℃，環(huán)境溫度40 ℃，1 C充電30 min+0.3 C放電40 min。設計要求是動力電池系統(tǒng)在完成以上工況后最高溫度不超過55 ℃。
2.3.2 電池包加熱系統(tǒng)的設計
通過計算，每個模組側(cè)面布置一片103 W的加熱膜，故28個模組加熱膜的總功率為2 884 W。
2.4 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)控制策略實例
 
2.4.1 充電電流控制
由BMS計算和采集的溫度和電壓確認最大充電電流?？斐溥^程中，當溫度達到45 ℃時，控制最大充電電流為0.5 C。當溫度達到48 ℃時，控制最大充電電流為0.33 C。當溫度達到50 ℃時，控制最大充電電流為0.2 C。
2.4.2 加熱膜控制
由BMS根據(jù)電池最低溫度判斷進行控制。當?shù)蜏叵逻M行快充時，BMS檢測到電池最低溫度T´≤5 ℃時，加熱膜通電對電池進行加熱，請求電壓為加熱膜額定電壓，電流為加熱膜額定電流。當電池最低溫度升至10 ℃時，停止加熱。
3 純電動汽車動力電池自然冷卻的電池熱管理系統(tǒng)仿真
3.1 仿真模型建立
 
根據(jù)動力電池系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立三維仿真模型，依據(jù)結(jié)構(gòu)及初步分析，選取圖1中18個可表征電池系統(tǒng)溫度分布的采樣點用于溫度場的評估。
 
圖1 仿真分析選取的溫度采樣點分布示意圖
3.2 高溫充放電工況
 
動力電池系統(tǒng)仿真的主要邊界條件及工況：環(huán)境溫度40 ℃；動力電池系統(tǒng)起始溫度40 ℃；1 C充電30 min+0.3 C放電40 min。
如圖2和圖3所示，仿真數(shù)據(jù)顯示此系統(tǒng)1 C充電30 min后，電池采樣點18溫度最高，為52.8 ℃，采樣點1溫度最低，為51.7 ℃。1 C充電30 min+0.3 C放電40 min工況結(jié)束后，電池采樣點18溫度最高，為54.7 ℃，采樣點1溫度最低，為52.4 ℃。
 
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