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?電動汽車電池箱底部加熱試驗分析

2020-05-19 22:32:27·  來源：電動學堂  
　
1電動汽車低溫熱管理的必要性電動汽車上的各種動力電池的適宜運行溫度通常 與整車的設計運行溫度范圍有很大的差異，如鋰離子電池適宜的工作溫度范圍在 25 ～ 45
1電動汽車低溫熱管理的必要性
 
電動汽車上的各種動力電池的適宜運行溫度通常 與整車的設計運行溫度范圍有很大的差異，如鋰離子電池適宜的工作溫度范圍在 25 ～ 45 ℃，而整車設計的運行溫度范圍一般達到了 -30 ～ 60 ℃。幾乎所有 的電池在低溫下都會由于電化學反應速率降低和內阻 的增大而出現(xiàn)明顯的性能衰退。
 
圖1 顯示了一種圓柱 形鋰離子電池隨著溫度的降低而出現(xiàn)的容量和能量衰 退情況，其中初始狀態(tài) SOC=100%。電動汽車電池包 的熱管理系統(tǒng)的目標是在電池包內提供適宜的溫度范 圍，盡量降低電池模塊之間和電池包之間的溫度梯度。在低溫（0 ℃或者更低）下運行的電動車輛在設 計電池包時必須考慮電池的預加熱以使電池能夠獲得可接受的能量與功率性能。
 
2目前電池包加熱方式與優(yōu)缺點
 
熱管理系統(tǒng)按照電池箱內部是否設計制冷 或生熱裝置分為主動及被動熱管理系統(tǒng)，前者能夠更好地適應嚴酷的環(huán)境條件。
 
仿真實驗表明：利用內核加熱可以達到最佳內部溫度場的均勻性，利用一定頻率（如 60 Hz）的交流電通過電池極柱來對內核進行加熱是最快速并且寄生能耗最低的辦法，但是可能對電池內部結構造成破壞，因此這一方法的可行性需要進一步探討；利用加熱元 件在電池模塊外部進行整體加熱導致的電池內部溫度 場一致性最差；利用加熱元件分別包圍在單體外部進 行加熱的效果介于兩者之間。
 
傳熱介質的選擇對于電池包熱管理系統(tǒng)的性能和成本具有直接的影響。空氣流經電池模塊的表面從而 與電池之間進行熱交換，不需要專門設計的管路，但 對于電池合理排布和電池間隙的要求較高；流體介質 通過在電池包表面專門設計的套管與電池進行間接地 熱量交換，或者將電池浸沒在絕緣液體中直接進行熱交換。
 
利用空氣作為傳熱的介質是最為簡便的方法， 但也會導致相比于液體介質更低的熱交換速率和能量 效率。需要指出的是，因為液體存在較大的粘性并且 熱交換泵的功率有限，因此液體的流速通常會受到限 制，因此實際上利用液體作為介質的熱管理系統(tǒng)交換 的速率也只是空氣的 1.5 ～ 4 倍，但整體設計的結構難 度和成本會有明顯的增加，因此在目前已經商業(yè)化應 用的電池包中絕大多數還是采用了利用空氣作為介質 的熱管理系統(tǒng)。
 
本文主要通過實驗的方法研究電池箱底部加熱方式在溫度場均勻性、加熱速率、內部空氣 循環(huán)對改善溫度場均勻性的影響、加熱對電池性能改善的影響。
 
3 底部加熱試驗設計與實驗過程
3.1 實驗臺架設計
 
實驗臺架如圖2 所示，電池箱底部加熱試驗采用電池測試系統(tǒng)Belt BTS400100C1，該測試系統(tǒng)能夠實時測試電池組和單體電池的電壓、電流及溫度等參數。
 
BTS400100C1 測試系統(tǒng)的參數指標如表1 所示。
 
采用的加熱元件為PTC（正溫度系數熱敏電阻）材料，這種材料具有正的溫度系數，是一種典型具有溫度敏感性的半導體電阻，超過一定的溫度時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高，試驗中采用的PTC 熱敏電阻的功率為400W，電源由外部提供，加熱過程中溫度穩(wěn)定在100℃ 左右。為了達到更好的溫度均勻性，加熱絲纏繞于鋁質板材上，通過鋁板加熱量均勻地傳遞到電池底部，如圖3、圖4 所示。在電池箱內部安裝3 個風扇進行空氣的內部循環(huán)，這樣可以加速電池模塊內部的熱交換，提高溫度場的一致性。
 
 
進行試驗的某60 Ah 電池組由15 個錳酸鋰電池單體串聯(lián)而成，進行實驗的3 個模塊排列在電池包內，電池包底部安裝好加熱裝置，進行試驗時電池完全密封置于溫箱內。溫度測試、充放電和加熱元件的線纜通過通道與充電機等進行連接。
 
如圖5所示，進行試驗的3個電池模塊內部預選定9 個單體先安裝好27 個溫度傳感器，監(jiān)測電池頂、中、下三個部位的溫度，另外安裝測試溫箱溫度、加熱絲溫度的2 個傳感器，在-8 ℃、-10 ℃、-15 ℃ 和-20 ℃下進行底部加熱實驗。
主要進行的實驗包括：
（1）-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃、-8 ℃底部加熱試驗；
（2）-20 ℃在有/ 無加熱條件下的放電對比試驗；
（3）-10 ℃、-20 ℃攪風加熱試驗。
3.2 實驗數據處理與結論
3.2.1 不同溫度下底部加熱的均勻性分析
-8 ℃和-10 ℃的加熱試驗時間為2 h，結束后關閉加熱元件，使內部溫度場局部積聚的熱量進行30 min左右的均衡；-15 ℃ 和-20 ℃ 的加熱時間為2.5 h，均衡時間為30 min。
 
從表2 中可以看出，不同溫度下加熱的速率差值較小，溫升速率基本都在9 ℃ /h 左右；隨著環(huán)境溫度的不斷升高，底部加熱結束之后各單體之間的最高與最低溫度之差不斷縮小，但單體內的溫差變化很?。◤?.1 ℃降低到7.6 ℃）；均衡的30 min 左右的時間能夠降低單體內部和單體之間的溫差，因此建議在加熱完成后車輛啟動前預留30 min 左右的溫度均衡時間，對于改善電池箱內部溫度場的一致性有益。
3.2.2 不同溫度下底部加熱速率的分析
將加熱過程中9 個單體的上中下3 個傳感器的溫度值取平均后進行統(tǒng)計得到表3。
 
對電池組在不同溫度下進行加熱的速率進行分析可以看出，單體內部在加熱過程中存在溫度梯度，底部傳感器溫升快于中部和頂部傳感器，這一溫差在7 ℃左右，會對電池充放電性能產生較大影響。表4 為不同溫度下底部加熱速率分析。
 
不同溫度下加熱的溫升速率非常接近，9 ℃ /h 的溫升速率可以用于估計提前加熱需要的時間。
3.2.3 -10 ℃在加熱過程中進行內部空氣循環(huán)對加熱均勻性的影響
 
在電池箱的內部安裝了3 枚24 V 的風扇，與加熱元件同時啟動，可以實現(xiàn)加熱過程中內部空氣的循環(huán)，對溫度場均勻性的對比如表5 所示。
通過加熱過程中攪風來進行內部空氣的循環(huán)，各單體的平均溫度比沒有攪風的高了0.2 ℃，說明電池箱的密封性較好，內部的空氣循環(huán)沒有造成熱量的散失；單體溫度的方差也小于沒有攪風的情況，說明單體溫度一致性得到提高。另一方面，單體內部自身的均勻性也得到提高（見圖6），單體頂部- 底部溫差在攪風后平均降低了2.2 ℃。因此利用風扇進行內部攪風，無論是單體之間還是單體自身內部的均勻性都得到了明顯的提高。
 
3.2.4 -20 ℃下有無底部預加熱對電池組放電端電壓的影響
電池組放電電流0.4C（24 A），放電結束條件為模塊電壓≤ 42 V 或者單體最低電壓≤ 2.8 V，對電池組電壓和單體電壓同時進行監(jiān)控，防止單體過放電。圖7和圖8 是預加熱對電池組端電壓的影響比較。
 
 
在加熱1 h 后進行0.4C 的放電，與未加熱的情況進行比較可以看出，放電初期的電壓降為2.5 V，比未加熱時5.3 V 的壓降減小了2.8 V，有利于快速啟動；電壓曲線較為平坦，整個放電過程電壓降低了4 V，低于未加熱時的5.4 V。放電電壓平臺為47 V 高于未加熱的45 V，因為是定時間放電，因此放出的電池容量是一致的，電池組在加熱后的性能得到提升。
3.2.5 有無預加熱對放電過程中單體溫度變化的影響
表6 為有無加熱對單體放電溫升的影響。其中無加熱單體平均溫升為11.8 ℃，加熱后單體平均溫升為3.9 ℃。
 
從表6 可以看出，預加熱后，單體電池的溫升平均下降了7.9℃，一方面是因為預加熱之1 h 后單體的溫度已經平均上升了9 ℃，單體進一步溫升的空間有限；另一方面也說明單體加熱之后再進行放電，電能用于轉化為熱能的部分較少，電池的放電效率得到了提高。
 
4 實驗結論
（1）加熱速率相近，環(huán)境溫度影響單體電池之間溫度一致性，加熱后擱置有益。不同溫度下加熱的速率差值較小，溫升速率基本都在9 ℃ /h 左右；隨著環(huán)境溫度的不斷升高，底部加熱結束之后各單體之間的最高與最低溫度之差不斷縮?。痪獾?0 min 左右的時間能夠降低單體內部和單體之間的溫差，因此建議在加熱完成后車輛啟動前預留30 min 左右的溫度均衡時間，對于改善電池箱內部溫度場的一致性有益。
（2）單體內部溫差穩(wěn)定，加熱速率相近。單體內部在加熱過程中存在溫度梯度，底部傳感器溫升快于中部和頂部傳感器，這一溫差在7 ℃ 左右，會對電池充放電性能產生較大影響；不同溫度下加熱的溫升速率非常接近，9 ℃ /h 的溫升速率可以用于估計提前加熱需要的時間。
（3）電池箱密封性好，攪風有利于單體之間的溫度均衡。在-10 ℃ 下通過加熱過程中攪風來進行內部空氣的循環(huán)，各單體的平均溫度比沒有攪風的高了0.2 ℃，說明電池箱的密封性較好，內部的空氣循環(huán)沒有造成熱量的散失；單體溫度的方差也小于沒有攪風的情況，說明單體溫度一致性得到提高。另外，單體內部自身的均勻性也得到提高，單體頂部- 底部溫差在攪風后平均降低了2.2 ℃。因此利用風扇進行內部攪風，無論是單體之間還是單體自身內部的均勻性都得到了明顯的提高。
（4）預加熱能夠降低電池組放電壓降，提高放電電壓平臺。-20 ℃ 在加熱小時后進行0.4C 的放電，放電初期的電壓降為2.5 V，比未加熱時5.3 V 的壓降減小了2.8 V，有利于車輛快速啟動；電壓曲線較為平坦，整個放電過程電壓降低了4 V，低于未加熱時的5.4 V；放電電壓平臺為47 V 高于未加熱的45 V，電池組在加熱后的性能得到提升。
（5）預加熱后單體在放電過程中的溫升明顯下降，放電效率提高。預加熱后，單體電池的溫升平均下降了7.9 ℃，一方面是因為預加熱之1 h 后單體的溫度已經平均上升了9 ℃，單體進一步溫升的空間有限；另一方面也說明單體加熱之后再進行放電，電能用于轉化為熱能的部分較少，電池的放電效率得到了提高。
 
 
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