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純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究

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

摘要：通過(guò)研究純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(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(dòng)力電池系統(tǒng)的工作溫度可以滿足整車(chē)的正常充放電，增加動(dòng)力電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命，為自然冷卻形式的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新思路和新方法。
 
由于新能源電動(dòng)汽車(chē)的補(bǔ)貼與推廣作為國(guó)家大力支持的一項(xiàng)綠色節(jié)能政策，新能源汽車(chē)得到了迅速發(fā)展與推廣。2020年，我國(guó)的新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到124.6萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到150萬(wàn)輛。動(dòng)力電池是整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，與電動(dòng)汽車(chē)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(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。目前，純電動(dòng)汽車(chē)使用的動(dòng)力類(lèi)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(duì)電池的影響直接影響到整車(chē)的性能表現(xiàn)和使用壽命。電池對(duì)溫度的要求比整車(chē)更加苛刻，因此需要增加合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，以保證電池處于適宜的溫度范圍。近些年，夏季超過(guò)40 ℃的高溫天氣越來(lái)越多，冬季也容易出現(xiàn)低溫天氣，車(chē)輛的行駛工況也越來(lái)越復(fù)雜，容易導(dǎo)致動(dòng)力電池電芯溫度過(guò)高或過(guò)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(dòng)力電池的安全性和可靠性。

1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
1.1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(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(chē)?yán)m(xù)航里程以及零部件系統(tǒng)可靠性等因素，國(guó)內(nèi)大部分純電動(dòng)汽車(chē)依然選用自然散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
1.2 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制方式
 
純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)將溫度傳感器布置在電池包內(nèi)的每個(gè)模組上，依據(jù)模組大小布置1～2個(gè)溫度傳感器。溫感布置點(diǎn)應(yīng)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(duì)其進(jìn)行判斷處理，依據(jù)預(yù)設(shè)的程序不斷調(diào)整動(dòng)力電池系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)確認(rèn)不同的工作狀態(tài)。
2 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
2.1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱方案
 
動(dòng)力電池系統(tǒng)的散熱能力通過(guò)以下方程建立：
 
式中：Q為動(dòng)力電池組總需求散熱量；Q1為動(dòng)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(dòng)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(dǎo)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(shí)際能力，控制充放電電流，保持電芯的溫度不會(huì)上升到保護(hù)閾值。
2.2 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)加熱方案
 
在計(jì)算動(dòng)力電池組加熱能力時(shí)，同樣需要建立熱平衡方程：
 
式中：Q´為動(dòng)力電池系統(tǒng)需要的加熱功率；為動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部電芯需要的加熱功率，
=∫cmdT，c為動(dòng)力電池的定壓比熱容，m為動(dòng)力電池的總質(zhì)量，T為電池溫度；
´為動(dòng)力電池包的上下殼體及保溫層的散熱功率；
為動(dòng)力電池因泄露傳出動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱功率。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算后預(yù)留一定的加熱功率，總功率正常不超過(guò)計(jì)算值的120%。
2.3 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)實(shí)例
 
2.3.1 電池散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
動(dòng)力電池系統(tǒng)高溫保護(hù)閾值為55 ℃。測(cè)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(shè)計(jì)要求是動(dòng)力電池系統(tǒng)在完成以上工況后最高溫度不超過(guò)55 ℃。
2.3.2 電池包加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
通過(guò)計(jì)算，每個(gè)模組側(cè)面布置一片103 W的加熱膜，故28個(gè)模組加熱膜的總功率為2 884 W。
2.4 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略實(shí)例
 
2.4.1 充電電流控制
由BMS計(jì)算和采集的溫度和電壓確認(rèn)最大充電電流。快充過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃時(shí)，控制最大充電電流為0.5 C。當(dāng)溫度達(dá)到48 ℃時(shí)，控制最大充電電流為0.33 C。當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，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(jìn)行控制。當(dāng)?shù)蜏叵逻M(jìn)行快充時(shí)，BMS檢測(cè)到電池最低溫度T´≤5 ℃時(shí)，加熱膜通電對(duì)電池進(jìn)行加熱，請(qǐng)求電壓為加熱膜額定電壓，電流為加熱膜額定電流。當(dāng)電池最低溫度升至10 ℃時(shí)，停止加熱。
3 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真
3.1 仿真模型建立
 
根據(jù)動(dòng)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(gè)可表征電池系統(tǒng)溫度分布的采樣點(diǎn)用于溫度場(chǎng)的評(píng)估。
 
圖1 仿真分析選取的溫度采樣點(diǎn)分布示意圖
3.2 高溫充放電工況
 
動(dòng)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(dòng)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(diǎn)18溫度最高，為52.8 ℃，采樣點(diǎn)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(diǎn)18溫度最高，為54.7 ℃，采樣點(diǎn)1溫度最低，為52.4 ℃。
 
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