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動力電池液冷液熱系統(tǒng)的應用研究
2021-10-18 17:21:02· 來源：電動學堂 作者：王人杰
文章來源:上汽大通汽車有限公司0前言動力電池作為新能源汽車(純電動?混合動力和燃料電池)的核心部件,目前主流的動力電池多選用三元或磷酸鐵鋰電池,因其本身特性
文章來源:上汽大通汽車有限公司
0前言
動力電池作為新能源汽車(純電動?混合動力和燃料電池)的核心部件,目前主流的動力電池多選用三元或磷酸鐵鋰電池,因其本身特性使續(xù)航里程和使用壽命直接制約了新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展?尤其是鋰電池容易受環(huán)境溫度變化的影響而無法正常工作?
在高溫環(huán)境下(45℃以上)長時間工作時,其使用壽命會急劇縮短,同時影響整車安全性?在低溫環(huán)境下(0℃以下)其充放電容量又會大幅度降低,使車輛無法工作?隨著新能源汽車技術(shù)的迅速發(fā)展,動力電池的熱管理需求逐步提高,液冷方案已經(jīng)逐漸替代了強制風冷和自然冷卻方案,并成為主流冷卻方案?在動力電池高溫工作穩(wěn)定性問題得到較好解決后,如何在電池液冷方案的基礎上進行升級,解決動力電池低溫條件下的性能衰減問題,已成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點?
本文針對某款混合動力汽車用三元電池熱管理系統(tǒng)進行研究,結(jié)合電池冷卻系統(tǒng)和整車空調(diào)采暖系統(tǒng)重新優(yōu)化整合了1套能在冬季氣候條件下有效縮短電池充電時間,并提升車輛運行時電池性能的電池加熱系統(tǒng)方案?經(jīng)過仿真分析和試驗驗證優(yōu)化,達到了預期目標?
1三元動力電池的熱特性
1.1三元動力電池的最佳使用溫度
動力電池的循環(huán)壽命與使用溫度密切相關(guān),實際上無論是三元電池還是磷酸鐵鋰電池,其最佳工作溫度范圍均為15~35℃?隨著溫度的升高或降低,偏離最佳工作溫度越遠,動力電池的充放電性能的下降就越明顯?圖1為某款三元動力電池在不同溫度下的放電性能的變化,其充電也呈現(xiàn)同樣的特征?
1.2三元動力電池高溫下的循環(huán)壽命
過高的工作溫度不但會降低電池的充放電性能,還會大幅度降低三元動力電池的循環(huán)使用壽命?該款三元動力電池在25℃環(huán)境下工作時,其2000次循環(huán)充放后的容量保持率為86.8%,環(huán)境溫度上升到35℃時,其2000次循環(huán)充放后的容量保持率為85.4%,如圖2所示?鋰電池的循環(huán)使用壽命變化隨著溫度升高先呈現(xiàn)小幅度下降,當環(huán)境溫度繼續(xù)上升至45℃左右時出現(xiàn)明顯下降,到達55℃左右時出現(xiàn)斷崖式大幅度下降,圖3為隨著溫度上升該動力電池循環(huán)充放電至80%容量保持率的循環(huán)次數(shù)變化曲線,在45℃和60℃時分別出現(xiàn)明顯的拐點?
為了使動力電池能在較高的環(huán)境溫度下依舊能正常工作并保障其安全性和較長的使用壽命,高效的電池冷卻系統(tǒng)必不可少?目前,強制液冷系統(tǒng)是三元動力電池冷卻方案的主流,可以確保動力電池即使在40℃以上的環(huán)境下仍能維持正常工作,使用壽命幾乎
不受影響?
1.3低溫下的充電特性
與高溫一樣,低溫環(huán)境也會極大地影響鋰電池的充放電性能?在冬季時,充電時間會明顯變長,車輛行駛過程中動力電池性能大幅度衰減?在某些極端情況下(如氣溫低于-10℃時),由于低溫限制了動力電池允許的充電電流,少量的充電電流帶來的電池自發(fā)熱完全不能使電池升溫到允許大電流充電的要求溫度,動力電池就無法繼續(xù)充電,用戶將面臨車輛無法工作的問題?表1為某款三元動力電池在低溫條件下允許的充電電流限制?可以發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度為-10℃以下時電池只能以非常低的電流進行充電,使得充電完成時間大幅度增加?
1.4動力電池生熱功率模型
為了對電池熱性能進行分析就必須對電池充放電過程的生熱狀態(tài)進行研究?由于電池生熱速率很難精確測量,因此普遍采用數(shù)學模型進行描述?其中美國伯克利大學D.BEMARDI提出Bemardi方程作為電池生熱速率方程,該公式如下
2混合動力電池熱管理系統(tǒng)
2.1動力電池冷卻方式
目前,常見的動力電池冷卻方式主要有自然冷卻?強制風冷和強制液冷?其中自然冷卻由于冷卻效果不佳,主要運用在冷卻需求不高的一些磷酸鐵鋰動力電池上?而三元電池由于能量密度高,瞬間發(fā)熱量大,普遍采用強制風冷或強制液冷?常見的強制風冷或強制液冷冷卻結(jié)構(gòu)如圖4所示,其關(guān)鍵是冷卻介質(zhì)的不同,帶來的冷卻效果差別很大,強制液冷具有更好的冷卻效果,但結(jié)構(gòu)復雜,成本較高?
2.2動力電池強制液冷方案
整車開發(fā)中,為了更好地利用布置空間并降低物料成本,電池熱管理的液冷系統(tǒng)往往和乘客艙空調(diào)制冷系統(tǒng)進行集成?利用1個專用的熱交換器實現(xiàn)電池冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)與空調(diào)系統(tǒng)換熱,其工作原理見圖5?即使在40℃以上的環(huán)境溫度下,這套系統(tǒng)能穩(wěn)定地將電池包內(nèi)溫度控制在25~35℃范圍內(nèi),且不同位置的電芯溫差小于5℃?
2.3基于液冷方案的電池加熱方案
動力電池加熱方案,目前行業(yè)內(nèi)普遍采用在電池包內(nèi)布置電加熱膜或者正溫度系數(shù)(PTC)加熱器2種方案?但對于具備圖5結(jié)構(gòu)的液冷系統(tǒng)的動力電池而言,再在電池包內(nèi)部增加加熱膜和PTC加熱器不僅缺乏效率,又會因為復雜的結(jié)構(gòu)和控制策略導致其面臨失效風險?
通過對熱交換器的升級,在原來空調(diào)制冷劑和電池包冷卻液熱量交換的基礎上增加了整車采暖系統(tǒng)的熱交換裝置?可以利用車輛上用以供暖的高壓PTC裝置來實現(xiàn),如圖6所示,這樣既簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又大幅度降低了整車成本?實際使用時,在車輛行駛前的充電過程中,采暖用高壓PTC通過充電樁電源同步加熱動力電池支持充電,同時還能為乘客艙暖風系統(tǒng)和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)(插電式混合動力)進行預熱,既強化了動力性又改善了舒適性?
對于采用電池液冷方案的新能源純電動汽車也可以采用該方案,只需要將發(fā)動機冷卻回路從圖6系統(tǒng)中去除?
2.4電池加熱方案的控制方式
整車在插槍開始充電時,發(fā)動機處于停止工作狀態(tài),電池管理系統(tǒng)(BMS)根據(jù)環(huán)境和動力電池內(nèi)部溫度判斷是否起動電池加熱功能?電池加熱功能起動后,在圖6系統(tǒng)中,通過充電設備取電,高壓PTC開始工作,電子調(diào)節(jié)閥A和電子調(diào)節(jié)閥B相繼運作,確保PTC暖水回路中的液體不再流經(jīng)PHEV發(fā)動機和乘客艙散熱器,僅流經(jīng)熱交換器?
同時,電池冷卻液循環(huán)中的電子水泵也開始工作,促使動力電池內(nèi)部換熱升溫?當電池溫度上升至一定范圍內(nèi),通過BMS和相關(guān)控制器控制,高壓PTC和電子水泵停止工作,電子調(diào)節(jié)閥A和電子調(diào)節(jié)閥B復位,整車繼續(xù)正常充電?
3電池加熱方案的驗證和優(yōu)化
3.1電池加熱方案的模擬仿真分析
根據(jù)整車相關(guān)部件性能參數(shù),對溫度環(huán)境-30℃以下的動力電池進行持續(xù)加熱,其中電池冷卻液循環(huán)進口流量為12L/min,高壓PTC升溫功率為3kW(受車載充電機功率限制),經(jīng)過20min的加熱后,電池內(nèi)部溫度分部如圖7所示?此時電池內(nèi)部加熱板(即冷卻水板)進口溫度上升至46.4℃,出水口溫度為42.8℃,進出水口溫相差3.6℃?
根據(jù)動力電池充電前加熱仿真分析結(jié)果,在溫度環(huán)境-30℃下,加熱20min后,動力電池內(nèi)部平均溫度可到達20℃左右,已經(jīng)可以滿足全負荷的充電需求?但仿真數(shù)據(jù)與實際往往會有一定偏差,需要進一步通過試驗驗證進行優(yōu)化?
3.2低溫情況下整車試驗驗證
根據(jù)客戶的使用需求,整車充電試驗設定了2種不同的工況?
(1)在低溫-30℃環(huán)境下,通過一段時間的加熱,電池內(nèi)溫度是否能滿足充電要求,其結(jié)果見表2,平均溫度到達15℃,基本滿足設計期望?
(2)在低溫-10℃環(huán)境下,對比加熱系統(tǒng)工作和不工作狀態(tài),及對充電時間的影響,其結(jié)果見表3?電池滿充時間縮短了近40%,基本滿足設計期望?
3.3低溫情況下整車充電方案的優(yōu)化
通過整車試驗驗證了環(huán)境溫度在-30℃和-10℃的效果,基本滿足設計期望,也驗證了仿真模型和算法的合理性?同時也暴露了一些問題,其中最為關(guān)鍵的問題在于充電過程中加熱的時間順序上?多次試驗結(jié)果表明,先集中加熱再充電的效果是最好的,但在實際使用中,如果發(fā)現(xiàn)長時間電池加熱沒有進入充電狀態(tài),或者用戶進行緊急短程使用的話,反而無法達到滿意效果?因此,針對電池充電過程中的加熱時間順序進行了進一步的研究和優(yōu)化,設計了加熱—充電—加熱—充電交替進行的策略?
雖然最終效果,比集中加熱后再充電增加了約10%的時間,但相比沒有加熱功能的情況,解決了環(huán)境溫度在-30℃下無法充電的問題,同時在環(huán)境溫度為-10℃條件下縮短了35%的充電時間,達到了設計預期?
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