新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)淺析

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摘要文章提出了一種可以有效控制動(dòng)力電池工作溫度的熱管理方案。根據(jù)外界環(huán)境溫度，采用空調(diào)制冷系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)強(qiáng)制制冷，或采用PTC作為加熱模塊，強(qiáng)制對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，通過(guò)管路的熱交換確保電池箱處于最佳的工作溫度，既提高了電池箱充放電的穩(wěn)定性、安全性，也延長(zhǎng)了電池的循環(huán)壽命。

關(guān)鍵詞新能源汽車；動(dòng)力電池；熱管理

隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，新能源汽車憑借節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，已得到廣泛的推廣和使用，動(dòng)力電池作為其動(dòng)力源，直接影響到新能源汽車整體性能。動(dòng)力電池通過(guò)自身電化學(xué)反應(yīng)，鋰離子在電池正負(fù)極之間移動(dòng)從而形成電池的充放電。自身的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)放出熱量，從而導(dǎo)致溫度上升，而溫度升高會(huì)影響動(dòng)力電池的很多工作特性參數(shù)，如內(nèi)阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率、電池一致性和電池循環(huán)壽命，甚至熱失控引起電池著火。動(dòng)力電池的工作溫度也會(huì)間接影響到新能源汽車的續(xù)駛里程、最高車速和加速性能。當(dāng)新能源汽車處于高速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要?jiǎng)恿﹄姵靥峁┳銐虼蟮碾娏鳌＿^(guò)低的環(huán)境溫度，會(huì)使動(dòng)力電池的放電電流受到限制。動(dòng)力電池理想的工作溫度是25~55℃，過(guò)高或過(guò)低的工作溫度都會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的性能，所以高效的熱管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池的性能、循環(huán)壽命乃至車輛的續(xù)駛里程都十分重要，因此需要在高溫和嚴(yán)寒條件下，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行冷卻和加熱。目前，由于電池技術(shù)的限制，動(dòng)力電池高溫?zé)崾Э?，以及低溫下充放電性能受限等?wèn)題，一直影響著動(dòng)力電池的應(yīng)用與發(fā)展，同時(shí)也是制約新能源車輛推廣運(yùn)營(yíng)的主要因素[1-2]。本文通過(guò)研究動(dòng)力電池的特性，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，提出了一種可以有效控制動(dòng)力電池工作溫度的熱管理方案。

1動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)構(gòu)成

本文的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包含動(dòng)力電池系統(tǒng)、制冷模塊、加熱模塊、膨脹水箱、水溫傳感器、三通。動(dòng)力電池系統(tǒng)包括動(dòng)力電池包1、動(dòng)力電池包2、BMS控制器。制冷模塊包括空調(diào)機(jī)組、水泵、TMS控制器。加熱模塊包括PTC和加熱器控制器，PTC是正溫度系數(shù)的電阻絲。動(dòng)力電池包1出水口通過(guò)三通1與動(dòng)力電池包2出水口連接，動(dòng)力電池包1進(jìn)水口通過(guò)三通2與動(dòng)力電池包2進(jìn)水口連接。制冷模塊通過(guò)三通3與動(dòng)力電池系統(tǒng)連接。維修球閥通過(guò)三通3與動(dòng)力電池系統(tǒng)連接。水溫傳感器通過(guò)三通2與動(dòng)力電池系統(tǒng)連接。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制方式

熱管理循環(huán)回路：膨脹水箱→三通3→空調(diào)機(jī)組→水泵→PTC→水溫傳感器→三通2→動(dòng)力電池包1、動(dòng)力電池包2→三通1→三通3→膨脹水箱。新能源汽車鑰匙打到ON檔時(shí)，BMS控制器開始采集動(dòng)力電池包1、動(dòng)力電池包2內(nèi)的所有電芯溫度。當(dāng)電芯最高溫度Tmax≥37℃，BMS控制器發(fā)報(bào)文給TMS控制器，TMS控制器接收?qǐng)?bào)文后，發(fā)送“制冷”指令給空調(diào)機(jī)組、水泵，水泵、空調(diào)機(jī)組（壓縮機(jī)）開啟，通過(guò)內(nèi)部的制冷劑（R134a等）對(duì)冷卻液水溫進(jìn)行冷卻，壓縮機(jī)開啟的設(shè)定目標(biāo)水溫T=18±1℃，并根據(jù)當(dāng)前水溫實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)功率。當(dāng)電芯最高溫度Tmax處于32~37℃之間時(shí)，BMS控制器發(fā)報(bào)文給TMS控制器，TMS控制器接收?qǐng)?bào)文后，發(fā)送“自循環(huán)”指令給水泵，水泵開啟，空調(diào)機(jī)組（壓縮機(jī)）關(guān)閉，冷卻管路在水泵的作用下處于自循環(huán)模式。當(dāng)Tmax＜32℃，BMS控制器發(fā)報(bào)文給TMS控制器，TMS控制器接收?qǐng)?bào)文后，發(fā)送“關(guān)機(jī)”指令給水泵，水泵關(guān)閉，動(dòng)力電池通過(guò)自身殼體與外界環(huán)境進(jìn)行散熱。當(dāng)電芯最低溫度Tmin處于12~15℃之間時(shí)，BMS控制器發(fā)報(bào)文給TMS控制器，TMS控制器接收?qǐng)?bào)文后，發(fā)送開機(jī)指令給水泵，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文給加熱器控制器，加熱器控制器發(fā)送“加熱”指令給PTC，水泵、PTC開啟，冷卻液設(shè)定目標(biāo)水溫T=40±1℃，開始對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱，熱量經(jīng)過(guò)動(dòng)力電池包1、動(dòng)力電池包2內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)電池包加熱。

3熱管理系統(tǒng)選型

熱管理系統(tǒng)需滿足動(dòng)力電池正常工作所需的制冷需求，即制冷機(jī)組制冷功率等于動(dòng)力電池發(fā)熱功率。本文以某款混合動(dòng)力客車為基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用搭載，車輛基本參數(shù)如表1。計(jì)算動(dòng)力電池的制冷功率，需用到電池單體的生熱率，目前用得比較多的是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校D.Bernardi的電池生熱率模型：q=(I2R0-I⋅TdE0dT)/Vb（1）式中：q——電芯的生熱率，W/m3；I——電芯放電電流，A；R0——電芯內(nèi)阻，Ω；TdE0dT——電芯電化學(xué)特性的物理量，一般為常量，本文為11.16×10-3V；Vb——電芯電池體積，m3。Vb電芯電池體積為：Vb=174×48×13×10-9=1.11×10-9m3（2）單體電池生熱率為：q=2502×0.73×10-3-250×11.16×10-31.11×10-9=38561W/m3（3）動(dòng)力電池包散熱功率按式（4）計(jì)算：Pb=q⋅n⋅Vb（4）式中：Pb——?jiǎng)恿﹄姵匕峁β?，W；q——電芯的生熱率，W/m3；n——?jiǎng)恿﹄姵匕娦緮?shù)量，個(gè)；Vb——電芯電池體積，m3。經(jīng)計(jì)算，得：Pb=3856×100×1.11×10-9=4283.5W（5）即電池所需制冷功率為4283.5W，參考常見壓縮機(jī)制冷功率，最終選擇制冷功率為4.5kW的壓縮機(jī)。動(dòng)力電池的加熱功率按式（6）計(jì)算：PPTC=C⋅m⋅(Tout-Tin)/T（6）式中：PPTC——?jiǎng)恿﹄姵氐募訜峁β?，W；C——冷卻液比熱容，J/（kg·℃）；m——冷卻液質(zhì)量，kg；Tout——電池冷卻液出水溫度，℃；Tin——電池冷卻液進(jìn)水溫度，℃；T——電池冷卻液加熱時(shí)間，s。常用的電池冷卻液為50%的乙二醇溶液，容量為5L，其比熱容為3300J/（kg·℃），25℃密度為1071.11kg/m3，電池冷卻液出水溫度為25℃，電池冷卻液進(jìn)水溫度為0℃，加熱時(shí)間為90s。經(jīng)計(jì)算，得：PPTC=3300×5×1071×(25-0)/1000/90=4908.75W（7）參考常見PTC電加熱功率，最終選擇電加熱功率為5kW的PTC。綜上計(jì)算，熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。質(zhì)散熱，這種散熱手段有一定的局限性，受環(huán)境溫度影響大，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度無(wú)法迅速下降，溫度可控性較低。電池系統(tǒng)加熱也大都采用在電芯表面粘貼加熱膜進(jìn)行加熱，加熱膜的加熱效率低，而且會(huì)導(dǎo)致觸電風(fēng)險(xiǎn)增大，故障率也會(huì)跟著增加[3]。本文的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用空調(diào)制冷系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)強(qiáng)制制冷，不受環(huán)境溫度影響。同時(shí)采用PTC作為加熱模塊，強(qiáng)制對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行加熱。整套系統(tǒng)內(nèi)含控制系統(tǒng)，通過(guò)在循環(huán)水路設(shè)置水溫傳感器，采用智能化控制，可以精確的將水溫控制在設(shè)定區(qū)間，從而保證電池處于高效的工作溫度?？照{(diào)制冷系統(tǒng)集成安裝在一個(gè)箱體內(nèi)部，集成度較高，基本上可以在不影響整車空間的情況下搭載應(yīng)用，安裝便捷，可維護(hù)性高。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要以電池箱的進(jìn)水溫度為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)將導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度控制在恒定的溫度區(qū)間內(nèi)，進(jìn)而為電池箱輸入最佳溫度狀態(tài)的導(dǎo)熱介質(zhì)，以確保電池箱處于最佳的工作溫度，既提高了電池箱充放電的穩(wěn)定性、安全性，也延長(zhǎng)了電池的循環(huán)壽命，根據(jù)上述熱管理循環(huán)回路，其設(shè)計(jì)連接圖如圖2所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，是在現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步改進(jìn)，系統(tǒng)的零部件技術(shù)都較為成熟，性能穩(wěn)定，可靠性高。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制器是基于整車控制技術(shù)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，硬件和軟件設(shè)計(jì)均已多次優(yōu)化，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，其具有較強(qiáng)的控制精度和穩(wěn)定性。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要功能是控制導(dǎo)熱介質(zhì)的輸出溫度，因此適用于插電式混合動(dòng)力客車、快充型純電動(dòng)客車或燃料電池客車等新能源車輛的動(dòng)力電池?zé)峁芾?。本系統(tǒng)在應(yīng)用推廣之前，經(jīng)過(guò)了樣車搭載，而且車輛進(jìn)行了多種工況的試驗(yàn)驗(yàn)證，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，動(dòng)力電池充放電正常，電池溫度保持在預(yù)設(shè)的溫度范圍內(nèi)，整車性能穩(wěn)定、未出現(xiàn)故障，安全性高。

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作者:胡偉欽 單位:廈門建發(fā)汽車有限公司