隨著電動汽車市場從一線及大中型城市向中小城市不同氣候地區(qū)延伸，需要滿足高溫、低溫以及一些較惡劣環(huán)境工況的使用要求。對于用戶而言，汽車動力電池低溫充放電受限問題的影響尤其明顯。要滿足低溫環(huán)境中車輛動力電池使用需求，首先要解決低溫充電功率小、充電速度慢、充電容量低的問題，這對純電動車輛電池及其熱管理系統(tǒng)提出了更高的要求。

1  電池低溫性能

某型號動力電池電芯，75%SOC電量，放置在80～－40℃可調(diào)的溫箱中進行測試，先將電芯保溫24h，使其溫度達到60℃，然后讓電芯從60℃逐級降到－30℃，測其直流內(nèi)阻(DCIR)從1.5mΩ升至13.5mΩ，后半段電芯DCIR上升速率非常大，如圖1所示，隨著溫度逐步降低，其直流內(nèi)阻將快速增加。



在低溫環(huán)境中，動力電池電芯隨著溫度的不斷降低，其充放電能力將快速下降，電池充放電容量也將快速減少。如圖2所示，控制充電截止電壓3.4V不變，測試某型電芯在不同低溫下的充電容量:在0℃時，由于電芯DCIR增大，充電容量下降到常溫(25℃)的95%，且比常溫充電時間長約0.15h;而在低溫－10℃時，由于電芯DCIR進一步增大，充電容量僅達常溫(25℃)的75%，且比常溫充電時間長約0.35h。



另外，低溫充電時，電池負(fù)極表面還容易析出金屬鋰，循環(huán)充電過程中，鋰金屬不斷循環(huán)生長，最終會刺穿電池隔膜，造成電池內(nèi)部短路，不僅對電池造成永久性損傷，還會誘發(fā)電池?zé)崾Э兀瑢?dǎo)致其使用安全性大大降低。

因此，實際車輛使用過程中，為確保充電的安全性，車輛BMS常采用低溫充電控制策略保護動力電池，即較常溫而言，降低充電電流和充電功率延長充電時間，一般為常溫充電時長的兩倍以上，且充電電量僅能達到常溫充電的60%～80%。

2  熱管理方案優(yōu)化及驗證

某車型原采用PTC水加熱方式對動力電池進行加熱，如圖3所示。原系統(tǒng)存在熱量損失較大、加熱溫差較大、加熱過程電耗較大等缺點。



為滿足低溫環(huán)境動力電池快速升溫，能快速進入大功率充電要求，在圖3所示原電池包加熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行以下三方面優(yōu)化。

2.1  隔熱優(yōu)化及驗證

電池包一般布置在車輛底盤下方，電池包電芯的熱量會傳遞到電池托盤，與外界低溫環(huán)境進行熱交換而損失熱量。因此，可以通過加大電芯與電池托盤之間的熱阻，來提高電池包保溫能力。

1)原設(shè)計僅在電池包整體底部及四周墊包了一塊普通隔熱棉板。對其車型進行測試，將常溫25℃下的整車靜置在－40℃環(huán)境艙中，保溫27h后，當(dāng)電池包電芯的初始最低溫度降至10℃時，開始進行測試記錄。經(jīng)過37h，電池電芯最低溫度降至－10℃，平均溫降速率約0.54K/h，且電芯極端溫差較大(在5～7K)。

2)經(jīng)設(shè)計優(yōu)化，在電池模組周邊布設(shè)一定厚度且熱導(dǎo)率小的Z型隔熱氣凝膠氈，替代原普通隔熱板，減緩電池在低溫環(huán)境下的加熱熱量損失，提高電池包的保溫能力。同時，夏天使用同一套電池冷卻系統(tǒng)管路，設(shè)置該Z型隔熱氣凝膠氈后，也降低了高溫環(huán)境下的冷量損失，也提升了保溫能力。

3)對采用2)優(yōu)化措施的車型進行測試，將常溫25℃下的整車靜置在－40℃環(huán)境艙中，保溫約120h后，當(dāng)電池包電芯的初始最低溫度降至10℃時，開始測試記錄。經(jīng)過156h，電池電芯最低溫度降至－10℃，平均溫降速率約0.128K/h。明顯可見，采用特殊Z型隔熱膠氈能大大提高電池包的保溫效果，同時降低電池包中電芯的極端溫差(可控制在3～5K)。

2.2  加熱管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真驗證

優(yōu)化電池包內(nèi)部加熱管路結(jié)構(gòu)，減小其與電芯之間的熱阻，使電芯能夠更高效地吸收加熱介質(zhì)的熱量。

由于導(dǎo)熱量與管路橫截面積、介質(zhì)流態(tài)等因素成正比關(guān)系，把電池包內(nèi)原橢圓加熱管路優(yōu)化設(shè)計成口琴式扁平管路，并增大管路與電芯模組底部的接觸導(dǎo)熱面積。同時，口琴管扁平結(jié)構(gòu)更容易使快速流動的高溫介質(zhì)形成湍流，進一步提升加熱熱傳導(dǎo)效率。

此外，在口琴管路與電芯模組之間增涂一層一定厚度且導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱膠，使導(dǎo)熱性能更好。導(dǎo)熱膠厚度控制在1～2mm，若太厚導(dǎo)熱效果差，成本高;若太薄管路和電芯模組之間貼合不緊密，導(dǎo)熱效果差。經(jīng)仿真分析，優(yōu)化前，電池模組的溫度范圍在10.0～15.0℃之間，溫差較大，其中對流換熱系數(shù)僅3.2W/m2·K，導(dǎo)熱效果比較差，熱成像溫度不均勻。

優(yōu)化后，電池模組溫度范圍可保持在13.8～15.0℃之間，溫差較小，其中對流換熱系數(shù)可達4.8W/m2·K，導(dǎo)熱效果比較好，熱成像溫度較均勻。

2.3  加熱控制策略優(yōu)化及驗證

1)當(dāng)電芯溫度低于5℃時，電芯允許的充電倍率較低，充電效能較差;而當(dāng)電芯溫度高于5℃(一般在5.0～15.0℃之間)時，就基本能滿足充電性能要求。因此，為減少PTC加熱充電耗能，將電池加熱進入溫度由原控制策略的電芯平均溫度10℃優(yōu)化設(shè)置為5℃。

2)當(dāng)電芯平均溫度升高達到15℃時，電池包整體使用性能已基本與常溫25℃左右時差不多。因此，為了進一步降低PTC加熱充電耗能，將加熱退出溫度由控制策略模塊的電芯平均溫度20℃優(yōu)化設(shè)置為15℃。

3)在低溫充電過程中，原充電功率策略如下:Pb=Pa–Pc且Pa=P0，其中P0為電池包的允許充電功率，Pa為充電樁輸出功率，Pb為電池包的實際充電功率，Pc為電池加熱模塊PTC加熱的功率。當(dāng)?shù)蜏仉姵丶訜岢潆姇r，Pc直接消耗了Pa中的一部分功率，且BMS控制要求Pa=P0，導(dǎo)致Pb小于P0，也未充分利用充電樁的可輸出功率。

經(jīng)優(yōu)化后的充電功率策略如下:PA=P0+Pc且PB=P0，其中PA為充電樁輸出功率，PB為電池包的實際充電功率。當(dāng)?shù)蜏仉姵丶訜岢潆姇r，BMS控制請求PB=P0。因此，與原策略相比，優(yōu)化后的策略使得PA＞Pa，PB＞Pb。既充分利用了充電樁的能力，同時，在充入電池包電量相同的前提下，又縮短了充電時間。

4)效果驗證。對同時采取以上1)、2)、3)控制策略優(yōu)化后的車型進行綜合測試，在充電量相同(相比于優(yōu)化前)的情況下，PTC加熱時間縮短了0.2h，耗能降低了0.9kW·h，充電時間縮短約0.32h。

2.4  整體方案優(yōu)化效果驗證

同時采取上述2.1、2.2、2.3優(yōu)化方案后，測試整體效果情況。整車靜置在－20℃環(huán)境溫度下，電池電芯初始最低溫度為－10℃，SOC電量為0，然后進行加熱充電，直到充滿SOC100%，電池電芯最低溫度加熱升至15℃。優(yōu)化前后充電時長分別為2.2h和1.8h，平均充電功率分別為30kW和35kW。全程平均充電功率提升約5kW，充電時間縮短約0.4h。

3  結(jié)束語

通過對整車低溫環(huán)境下電池加熱系統(tǒng)的優(yōu)化，測試結(jié)果表明:優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)改動小，成本低，大大提升了動力電池在低溫環(huán)境下的充放電性能、使用壽命及安全性能。