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純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池降溫性能研究

2020-03-15 22:36:15·  來源：《 純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池降溫性能研究》  
　
有關(guān)研究表明:低溫環(huán)境對(duì)鋰離子動(dòng)力電池性能的影響很大，通過改變電池材料體系來解決難度較大，并且基于當(dāng)前環(huán)境下的材料供應(yīng)鏈?設(shè)備?制造工藝及成本等方面考
有關(guān)研究表明:低溫環(huán)境對(duì)鋰離子動(dòng)力電池性能的影響很大，通過改變電池材料體系來解決難度較大，并且基于當(dāng)前環(huán)境下的材料供應(yīng)鏈?設(shè)備?制造工藝及成本等方面考慮，也無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)?因而目前廣泛采用輔助加熱系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行加熱，使其工作于最佳性能狀態(tài)?
為了更清楚地了解電池在低溫下的性能和特性，以便更好地優(yōu)化純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的加熱策略和傳熱?導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文選用磷酸鐵鋰電池包為研究對(duì)象，分別在0℃?-10℃?-20℃環(huán)境條件下測(cè)試單體電池降溫與時(shí)間的關(guān)系，并結(jié)合風(fēng)速對(duì)電池降溫速率的影響建立電池降溫速率計(jì)算模型?通過測(cè)試驗(yàn)證，電池降溫?cái)?shù)學(xué)模型能很好地反映電池降溫特性?

1 電池降溫性能測(cè)試

電池包放入環(huán)境艙之前，先靜置于常溫24℃±2℃環(huán)境下，直到電池溫度趨于穩(wěn)定(與環(huán)境溫度差不超過2℃，靜置時(shí)間不超過24h)，然后將電池包置于0℃?-10℃?-20℃環(huán)境艙中分別靜置24h，記錄3種測(cè)試環(huán)境溫度下的降溫?cái)?shù)據(jù)與靜置時(shí)間的關(guān)系，其中環(huán)境艙溫度為0℃和-20℃的電池包中各單體電池的降溫曲線如圖1所示?
 
 
首先在同一環(huán)境溫度下進(jìn)行橫向分析?由圖1可知，對(duì)于環(huán)境艙溫度為0℃的環(huán)境，電池靜置的前0.5h，電池還未產(chǎn)生溫降，體現(xiàn)出電池具有保持原溫度狀態(tài)的“慣性”?經(jīng)過0.5h的熱傳遞，電池開始大幅降溫，并且隨著電池布置空間位置的不同而呈現(xiàn)不同的降溫速率?在2~10h靜置時(shí)間段，各電池溫度均以較大降溫速率下降，在靜置10h后隨著電池溫度與環(huán)境溫差的減小，降溫速率不斷降低?19h后電池溫度趨近于環(huán)境艙溫度，基本達(dá)到平衡狀態(tài)?對(duì)于環(huán)境艙溫度為-10℃(未圖示)和-20℃的環(huán)境，在0.5~9h時(shí)，環(huán)境溫度越低電池降溫曲線越陡，在靜置9h以后，降溫曲線緩慢下降?總體上有類似的降溫過程?

從縱向分析，3種環(huán)境溫度下降溫曲線的上下極限線所形成的帶寬基本一致，只是降溫速率隨著環(huán)境溫度的下降而增大?上下極限線之間的帶寬和電池包的寬度有關(guān)系，越靠近電池包中部的電池散熱條件越差，電池的降溫速率越小，電池間的溫差越大?本文選擇的電池包寬度為830mm，目前整車廠使用的電池包一般布置于艙內(nèi)?底盤縱梁內(nèi)，允許布置電池箱體的寬度一般不會(huì)超過該數(shù)值(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T34013—2017中除序號(hào)5推薦的尺寸大于該值外，其他均小于830mm)，因此本方案數(shù)據(jù)具有一定的代表意義?從數(shù)據(jù)中還發(fā)現(xiàn)，電池間的溫差會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而增大，在-20℃環(huán)境下電池間的最大溫差達(dá)到了12℃?

2 電池降溫速率數(shù)學(xué)模型的建立

為了更好地分析電池降溫與環(huán)境溫度的關(guān)系，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，提取出電池包中所有單體電池的溫差與時(shí)間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，算出該電池包中電池平均溫差與時(shí)間的一般關(guān)系，并以此建立電池降溫速率數(shù)學(xué)模型(擬合曲線)，如圖2(a)所示?

 
該擬合曲線得R2=0.999，說明擬合曲線與實(shí)際數(shù)據(jù)之間具有極高的吻合程度，也說明擬合曲線具有良好的可靠性?從曲線可知，在溫差達(dá)到32℃以上時(shí)，電池的降溫速率≥5℃/h;在溫差達(dá)到12~32℃時(shí)，電池的降溫速率為2~5℃/h;溫差低于5℃時(shí)，電池降溫速率很小?

電池包實(shí)際安裝于整車上，容易受到風(fēng)速的影響?電池降溫速率與風(fēng)速成近似正比關(guān)系，因此引入線性修正函數(shù)，其數(shù)值具有隨著電池溫度與環(huán)境溫度差值增大而增大的特性，適用于2m/s≤風(fēng)速≤8m/s?溫差>12℃時(shí)的環(huán)境條件?然而風(fēng)速<2m/s?溫差≤12℃的環(huán)境條件，對(duì)電池降溫速率影響很小，不需要引入修正函數(shù)?

定義φ(xs，xbt)表示電池降溫速率(℃/h)，f(xs，xbt)表示測(cè)試降溫速率，g(xs，xbt)表示環(huán)境修正函數(shù)，xs表示環(huán)境溫度(℃)，xbt表示某時(shí)刻電池溫度自變量(℃)，則電池降溫速率數(shù)學(xué)模型可變?yōu)?

 
3 數(shù)學(xué)模型的測(cè)試驗(yàn)證

電池包安裝于整車上，在內(nèi)蒙進(jìn)行降溫測(cè)試，環(huán)境溫度為-9~-15℃，風(fēng)速為2~5m/s時(shí)，實(shí)際單體電池降溫速率曲線與按本文數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得的單體電池降溫速率曲線對(duì)比如圖2(b)所示?從數(shù)據(jù)中可知，計(jì)算數(shù)據(jù)具有較好的吻合度，對(duì)于實(shí)際評(píng)價(jià)降溫時(shí)間和加熱策略的設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值?
 
 
為了進(jìn)一步驗(yàn)證電池降溫速率數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，本文多次測(cè)試電池包加熱數(shù)據(jù)，如圖3所示，計(jì)算涉及的基本參數(shù)見表1?圖3中，測(cè)試開始至?xí)r間8:30，電池處于升溫狀態(tài)，8:30以后有7個(gè)完整的降溫和升溫循環(huán)?隨機(jī)抽取降溫和升溫階段數(shù)據(jù)來驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，即通過數(shù)學(xué)模型來計(jì)算降溫?cái)?shù)值，然后通過熱平衡方程計(jì)算單體電池總體上的降溫(或升溫)數(shù)值，并與單體電池最低溫度曲線數(shù)據(jù)(最高值和最低值邊界線)對(duì)比一致性(注:電池包啟動(dòng)加熱策略以單體電池最低溫度作為關(guān)鍵指標(biāo))?

 
為了驗(yàn)證升/降溫模型，建立熱平衡方程，單體電池最終升高或降低的溫度值Tdc為:

 
其中加熱溫度Tj=Vj×Tt?

散熱溫度Ts的求解利用牛頓-柯特斯(Newton-Cotes)公式:

 
式中:f(xk)為每個(gè)溫差點(diǎn)下的降溫速率;Tt-av為單位溫度等分總時(shí)間?

電池充放電引起的溫度變化ΔT，利用焦耳定律(純電阻電路)和比熱容公式:

 
由式(6)推導(dǎo)計(jì)算:

 
首先分析升溫階段數(shù)據(jù):第1個(gè)升溫階段數(shù)據(jù)分析，時(shí)間9:45至10:10，環(huán)境溫度由-12℃上升至-11℃(圖3曲線)，單體電池溫度由3℃上升至8℃(圖3曲線)，則溫差由15℃上升至19℃，利用本文電池降溫速率數(shù)學(xué)模型計(jì)算可得降溫速率，見表2，依式(4)~式(7)求解得到單體電池自然降溫值Ts=1.24℃，理論加熱升溫值Tj=5.25℃，單體電池放電升溫值ΔT=0.003℃(Q=348.6W)，可求得單體電池最終升溫值Tdc=5.25-1.24+0.003≈4.01℃，而實(shí)際升溫測(cè)量值為4℃，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)是一致的?

 
取第2個(gè)升溫階段數(shù)據(jù)分析，經(jīng)同樣計(jì)算，可得單體電池最終升溫值Tdc=5.25-1.01+0.0028≈4.24℃，而實(shí)際升溫測(cè)量值Tdc=4℃?計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)吻合較好，后續(xù)的幾個(gè)升溫循環(huán)，用本文數(shù)學(xué)模型計(jì)算降溫?cái)?shù)據(jù)均與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好?

分析降溫階段數(shù)據(jù):第1個(gè)降溫循環(huán)數(shù)據(jù)時(shí)間8:30至9:45，環(huán)境溫度由-15℃上升至-12℃，單體電池溫度由8℃下降至3℃，則溫差由22℃下降至15℃，利用電池降溫速率模型計(jì)算式可得降溫速率，見表2，依式(4)~式(7)求解得到單體電池自然降溫值Ts=4.1℃，單體電池充電升溫值ΔT=0.202℃(Q=23461W)，可計(jì)算得單體電池最終降溫值Tdc=4.1-0.202≈3.9℃，而實(shí)際降溫值為4℃，單體電池降溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算值與實(shí)際值基本吻合?

此外，從測(cè)試數(shù)據(jù)中得出電池包的一個(gè)降溫特性:即在測(cè)試的前0.5h左右，電池具有保持原溫度的慣性，下降溫度會(huì)很小，有種阻礙溫度下降的“作用力”?然而，在溫度較低時(shí)，電池又會(huì)保持原降溫速率的慣性，持續(xù)原降溫特性繼續(xù)降溫0.5~1h?

在測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的降低，電池包總加熱時(shí)間成正比增加，基本遵循環(huán)境溫度每降10℃，電池包加熱至同一單體最低溫度位置所需時(shí)間近乎成倍增加的規(guī)律，同時(shí)電池溫差在逐漸增大，如圖4所示?

 
4 結(jié) 論

本文根據(jù)環(huán)境艙測(cè)試數(shù)據(jù)建立磷酸鐵鋰電池降溫速率計(jì)算模型，結(jié)合實(shí)際環(huán)境條件來修正模型(存在風(fēng)速和溫差影響的情況下)，然后運(yùn)用模型計(jì)算電池降溫?cái)?shù)據(jù)，與整車實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比一致?此外，本文測(cè)試選用的電池箱體長(zhǎng)寬高尺寸為1200mm×830mm×280mm，該尺寸基本可以涵蓋目前客車標(biāo)準(zhǔn)箱?輕客車型和商用車型所用大部分電池箱尺寸，因此其在反映靜態(tài)降溫特性方面具有較好的實(shí)用性和可靠性?
 
 
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