摘  要：為保證純電動汽車低溫性能，低溫下需對動力電池制定有效的加熱措施。文章基于Amesim，建立了某款動力電池系統(tǒng)冷卻液加熱模型。對比分析了低溫下定目標水溫與變目標水溫對動力電池系統(tǒng)快充時間、溫差、能耗影響，快充SOC5%-95%定目標水溫快充時間比變目標水溫快約21min，電池包最大溫差增加3℃，能耗增加0.42kWh。在次基礎(chǔ)上分析了不同定目標水溫對動力電池性能影響，定目標水溫每增加10℃，快充時間減少2-3min，電池包最大溫差增加約1℃。最后對比了降檔策策略對快充時間影響，直接降檔與關(guān)閉加熱器降檔快充時間、電池包最大溫差基本相同，能耗減小5.6%，檔位波動次數(shù)減小37%。

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作者信息：
姓名：馬廣青，熊飛，朱林培
工作單位：廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院
基金項目：廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃資助（編號：2019B090909001）

前  言

近年來隨著化石能源的日益消耗，人們環(huán)保意思的提高，相對傳統(tǒng)汽車產(chǎn)生CO、HC及NOX、微粒、臭氣等排氣污染，純電動汽車作為一種無污染、低噪聲、能源效率高的新型交通工具，越來越受到人們的關(guān)注及應(yīng)用。動力電池作為純電動汽車的關(guān)鍵部件之一，其性能表現(xiàn)直接影響純電動汽車的整車性能。溫度對動力電池尤其三元鋰離子動力電池工作特性產(chǎn)生影響，高溫下動力電池循環(huán)壽命減低、充放電功率受限、充電時間延長；低溫下動力電池內(nèi)部活性物質(zhì)顯著下降，電池內(nèi)阻增加、充放電功率及容量明顯降低，極端情況下，可導(dǎo)致動力電池?zé)o法充放電等情況，溫度對動力電池的影響，造成整車壽命下降、充電時間延長、續(xù)駛里程下降，尤其低溫下影響顯著。為了保證純電動汽車高低溫性能，需要對動力電池制定有效的熱管理措施，包括高溫下冷卻，低溫下加熱。本文基于三元鋰離子電池，研究低溫下加熱策略對充電時間及能耗影響。

1  加熱方式

目前動力電池低溫加熱主要有風(fēng)加熱、冷卻液加熱、加熱膜(或加熱片、加熱絲)加熱及動力電池自充放電加熱。風(fēng)加熱是指以熱空氣作為介質(zhì)直接流經(jīng)動力電池達到加熱目的，風(fēng)加熱又分自然對流與強制對流，一般采用強制對流通過風(fēng)扇將熱風(fēng)輸送到電池箱體，與動力電池產(chǎn)生熱交換。冷卻液加熱即以冷卻液作為介質(zhì)加熱動力電池的方法。加熱膜加熱是指在動力電池表面增加加熱膜，加熱膜通電將熱量傳給電池包從而達到加熱目的。電池自加熱是指利用動力電池本身內(nèi)阻，給動力電池通一定電流產(chǎn)生焦耳熱加熱動力電池。各加熱方式的特點如表1。本文基于冷卻液加熱動力電池方法進行研究。

表1 各加熱方式特點對比


2  動力電池加熱系統(tǒng)建模

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括冷卻和加熱，本文基于動力電池加熱系統(tǒng)進行研究，故只建立加熱系統(tǒng)，其包括水泵、動力電池、加熱器(HVH)、chiller(此時不工作)等部件如圖1。動力電池為1P92S三元鋰離子電池，采用冷卻液加熱方式， 加熱管道(與冷卻共用)置于電池包底部，加熱時加熱器通電加熱冷卻液，通過水泵帶動冷卻液循環(huán)加熱動力電池，動力電池及冷卻液流向示意圖如圖2。


圖1 某動力電池加熱系統(tǒng)架構(gòu)圖


圖2 某動力電池加熱管路

動力電池在加熱過程中以加熱器出水溫度(不考慮管路熱損失即電池包如水溫度)為控制目標。加熱策略對比了定目標水溫與變目標水溫，定目標水溫設(shè)定45℃，變目標水溫考慮電池包最低溫度與電池入水溫度保持一定溫差而設(shè)定，具體如圖3。加熱器在加熱起始按最高檔開始加熱，達到目標水溫上限后停止加熱，此時水溫下降，等水溫低于目標水溫后加熱器啟動以上一檔減一的檔位繼續(xù)加熱， 若此時水溫下降低于目標水溫下限，加熱器啟動以上一檔位加一的檔位繼續(xù)加熱，直至動態(tài)平衡。設(shè)T0為目標水溫，T1為目標水溫上限，T2為目標水溫下限，T1-T0=T2-T0為回滯區(qū)間，H1、H2、H3、H4為檔位，具體加熱器檔位變化如圖4。


圖3 目標水溫加熱策略


圖4 加熱器檔位切換策略示意圖

本文基于Amesim建立動力電池加熱系統(tǒng)模型，模型中加熱器簡化為功率元件和管路阻力元件，不同溫度不同檔位下加熱器功率如下表2，加熱器效率95%，chiller部件因不考慮冷卻簡化為管路元件，動力電池采用一階RC模型并建立模組級模型，模組一1P6S*12，模組二1P5S*4，假設(shè)電池包靜置足夠長時間電池包起始溫度等于環(huán)境溫度，不考慮電池包起始溫差及電芯不一致性，如圖5。

表2 加熱器加熱功率



圖5 動力電池加熱系統(tǒng)模型

3  不同加熱策略對快充時間影響

3.1  不同加熱策略對快充時間影響

低溫下動力電池充電功率及充電倍率受限，導(dǎo)致充電時間延長，為縮短充電時間，需對其進行加熱。本文分析了定目標水溫及變目表水溫對純電動汽車直流快充時間及能耗影響。電池包起始溫度-30℃，SOC從5%快充到95%。其仿真結(jié)果如下表3、圖6。

從分析結(jié)果可知，變目標水溫比定目標水溫快充時間增加21min，電池包溫差減小3℃，能耗降低15%，檔位波動次數(shù)增加250%。

表3 不同加熱策略對快充時間影響



圖6 不同加熱策略動力電池性能表現(xiàn)

3.2  不同定目標水溫對快充時間影響

不同定目標水溫影響動力電池加熱的快慢，影響動力電池的充電倍率，從而影響快充時間。本文對比分析了不同定目標水溫對快充時間、能耗、電池最大溫差的影響，結(jié)果如表4，圖7。

從結(jié)果可知加熱目標水溫45℃， SOC5%-95%快充時間107.2min，電池包溫差11.5℃，能耗2.52kWh；水溫目標降低10℃，快充時間增加3.7min，電池包最大溫差減小0.6℃，能耗減小9.9%；水溫目標增加10℃，快充時間減小1.5min，電池包最大溫差增加0.9℃，能耗減小3.2%；

表4 不同定目標水溫對快充時間影響



圖7 不同定目標水溫對比

3.3  加熱器降檔策略對快充時間影響

前述加熱水溫達到目標水溫上限后，檔位需要降一檔，在降檔過程中有兩種選擇直接降檔與關(guān)閉加熱器等水溫低于目標值后降檔。以下對兩種降檔策略進行了對比分析，分析結(jié)果如表5、圖8。直接降檔與關(guān)閉加熱器降檔快充時間、電池包最大溫差基本相同，能耗減小5.6%，檔位波動次數(shù)減小37%。

表5 降檔策略對快充時間影響



圖8 不同降檔策略對比

4  結(jié)論

溫度對動力電池工作性能產(chǎn)生顯著影響，尤其低溫環(huán)境，為使動力電池工作在合適的溫度范圍，縮短快充時間，本文研究了不同加熱策略對動力電池快充時間影響。

1)針對不同加熱策略影響動力電池加熱快慢從而影響快充時間，分析了定目標水溫與變目標水溫兩種加熱策略對快充時間影響，定目標水溫比變目標水溫快充時間減少21min，檔位波動次數(shù)減少250%，但電池包最大溫差增加3℃，能耗增加15%，實際如何選用定目標水溫與變目標水溫要綜合考慮快充時間、電池包最大溫差及檔位波動。

2)其次分析了不同定目標水溫下對快充時間影響，定目標水溫35℃比45℃快充時間增加3.7min,電池包最大溫差減小0.7℃，能耗減小0.25kWh；定目標水溫55℃比45℃快充時間減小1.5min,電池包最大溫差增加0.9℃，能耗減小0.08kWh。

3)最后對比了加熱器采用不同降檔策略對快充時間的影響，直接降檔與關(guān)閉加熱器降檔快充時間、電池包最大溫差基本相同，能耗減小5.6%，檔位波動次數(shù)減小37%。