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車用動(dòng)力電池系統(tǒng)低溫充電加熱方法研究

2021-10-14 13:57:17·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：栗曉杰等  
　
文章來源：北汽福田汽車股份有限公司1引言鋰離子電池在冬季應(yīng)用時(shí)需進(jìn)行系統(tǒng)加熱，目前，電池系統(tǒng)加熱方式分為內(nèi)部加熱和外部加熱。內(nèi)部加熱通過電芯內(nèi)部設(shè)計(jì)，
文章來源：北汽福田汽車股份有限公司
1引言
鋰離子電池在冬季應(yīng)用時(shí)需進(jìn)行系統(tǒng)加熱，目前，電池系統(tǒng)加熱方式分為內(nèi)部加熱和外部加熱。內(nèi)部加熱通過電芯內(nèi)部設(shè)計(jì)，利用電阻或化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱進(jìn)行加熱，但容易引起電池性能衰減。外部加熱通過連接加熱組件進(jìn)行產(chǎn)熱升溫，其中液體加熱和加熱膜加熱應(yīng)用最為廣泛，容易實(shí)現(xiàn)且相對(duì)安全。
2加熱方法及控制策略
2.1動(dòng)力電池系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)應(yīng)用自主研發(fā)100kWh電池系統(tǒng)，系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰/石墨電池體系，容量為173Ah，該系統(tǒng)由兩個(gè)電池包串聯(lián)組成，單包由9個(gè)電池模組串聯(lián)，每個(gè)模組采用1P10S電芯組合方式。
2.2液體加熱
實(shí)驗(yàn)所用加熱系統(tǒng)位于動(dòng)力電池包的底部液冷板。液冷板內(nèi)部介質(zhì)流道設(shè)計(jì)為“U”型流動(dòng)方式，保證了液體和電池包內(nèi)每個(gè)單體表面進(jìn)行充分熱量交換；液冷板內(nèi)靠近進(jìn)液管處介質(zhì)流道采用階梯式進(jìn)液，可以確保液冷板內(nèi)不同部位的液體溫度相近。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試中采用水冷機(jī)組與電池系統(tǒng)連接，通過水冷機(jī)組內(nèi)部水泵驅(qū)動(dòng)液體流經(jīng)電池系統(tǒng)液冷板，構(gòu)成液體循環(huán)回路，水冷機(jī)組出水口溫度設(shè)置為45℃。
2.3加熱膜加熱
電池包內(nèi)設(shè)有9個(gè)模組，每個(gè)模組兩側(cè)貼有絕緣、耐壓、耐高溫性能的聚酰亞胺加熱膜，加熱膜厚度為0.36mm（含雙面膠），加熱膜規(guī)格：電壓32.2V，功率365W，阻值
（2.84±8%）Ω。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試加熱膜由充電機(jī)提供電源，通過BMU控制加熱繼電器的閉合來控制加熱系統(tǒng)的通斷。
2.4加熱控制策略
動(dòng)力電池系統(tǒng)與充電設(shè)備連接后進(jìn)行電池系統(tǒng)和充電機(jī)自檢，自檢正常且無系統(tǒng)錯(cuò)誤，則閉合充電回路繼電器，同時(shí)BMU開始檢測(cè)電池狀態(tài)判斷電池溫度，當(dāng)電池溫度Tmin＜0℃時(shí)，則先行啟動(dòng)加熱回路，利用水冷機(jī)組驅(qū)動(dòng)電池系統(tǒng)液冷板加熱回路或采用充電機(jī)提供充電能源對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行加熱；當(dāng)電池溫度Tmin≥0℃時(shí)，電池系統(tǒng)開啟充電功能，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入邊充電邊加熱模式；當(dāng)電池溫度Tmin≥15℃時(shí)，電池系統(tǒng)退出加熱流程，進(jìn)入僅充電模式。電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下充電的原則是先加熱，后邊加熱邊充電，最后是僅充電。
3試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析
3.1液體加熱測(cè)試分析
將電池系統(tǒng)在恒定溫度的低溫環(huán)境艙內(nèi)放置24小時(shí)以上，以確保電池溫度達(dá)到設(shè)定溫度，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了-20℃下電池系統(tǒng)低溫充電性能。通過BMS上位機(jī)界面實(shí)時(shí)讀取電池系統(tǒng)總壓、單體電池電壓、單體電池溫度、電流等信息。當(dāng)單體電池最低溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，電池系統(tǒng)開始按實(shí)際加熱和充電策略進(jìn)行充電至系統(tǒng)或單體達(dá)到上限電壓。
本實(shí)驗(yàn)電池系統(tǒng)由兩個(gè)電池包組成，通過改變兩個(gè)電池包液冷板和水冷機(jī)組的連接方式，分別驗(yàn)證了液體加熱系統(tǒng)水路串聯(lián)回路和并聯(lián)回路（液體流速均為13L/min）對(duì)電池低溫充電性能的影響。圖1可見兩種液體加熱系統(tǒng)回路對(duì)充電容量和能量影響較小，對(duì)溫升速率和加熱時(shí)間具有影響。液熱串聯(lián)方式電池系統(tǒng)整體溫升速率偏低，僅為0.11℃/min，且在僅加熱階段時(shí)間達(dá)到176min，總充電時(shí)間為349min，由于溫升速率慢，系統(tǒng)內(nèi)單體電池溫度相對(duì)均衡，溫差僅為4℃。液熱并聯(lián)方式溫升速率為0.22℃/min，約為液熱串聯(lián)方式的兩倍，僅加熱時(shí)間為92min，也降為液熱串聯(lián)方式加熱時(shí)間的一半左右，總充電時(shí)間為221min，但該方式溫升速率高，導(dǎo)致單體間溫差也略微升高，末端溫差為6℃。

3.2加熱膜加熱測(cè)試分析
采用加熱膜加熱方法測(cè)試電池系統(tǒng)在-20℃和0℃低溫環(huán)境下的充電性能，首先將電池系統(tǒng)放置于恒溫環(huán)境艙內(nèi)直到電池溫度達(dá)到設(shè)定溫度，通過BMS上位機(jī)讀取單體電池溫度，并控制繼電器進(jìn)行加熱通斷及充電通斷。
圖2顯示了低溫-20℃和0℃環(huán)境下電池系統(tǒng)采用加熱膜加熱及充電過程參數(shù)。

該加熱方式下電池系統(tǒng)溫升速率及加熱時(shí)間有明顯改善，在-20℃~0℃僅加熱階段溫升速率達(dá)到0.51℃/min，加熱時(shí)間僅用39min即達(dá)到0℃。在0~15℃邊充電邊加熱階段溫升速率為0.54℃/min，比僅加熱階段溫升速率高0.03℃/min，該溫升速率也是由電池系統(tǒng)充電過程自產(chǎn)熱提供。低溫-20℃下電池總充電時(shí)間為171min，比液熱串聯(lián)方式時(shí)間縮短一半左右；但由于加熱膜加熱溫升速率較高，單體電池溫度不均勻，溫差為9℃。
對(duì)比低溫-20℃和0℃環(huán)境下電池系統(tǒng)充電性能，充電容量和能量相近，且在0~15℃邊充電邊加熱階段溫升速率和加熱時(shí)間也相近，但由于0℃下沒有僅加熱階段，故電池系統(tǒng)總充電時(shí)間為121min，比-20℃下充電時(shí)間少50min，且單體電池溫度僅為5℃。
3.3液熱+加熱膜加熱測(cè)試分析
本實(shí)驗(yàn)所用電池系統(tǒng)同時(shí)兼具液熱和加熱膜加熱功能，故實(shí)驗(yàn)中研究了-20℃同時(shí)開啟液熱和加熱膜加熱功能充電性能。在-20℃~0℃僅加熱階段溫升速率為0.61℃/min，加熱時(shí)間為33min；在0~15℃邊充電邊加熱階段溫升速率為0.66℃/min，加熱時(shí)間為23min；各階段溫升速率約等于液熱和加熱膜加熱兩種方式分別加熱溫升速率之和。溫升速率的提高導(dǎo)致總充電時(shí)間降低，液熱+加熱膜加熱方式總充電時(shí)間減少為141min。由于加熱膜加熱導(dǎo)致單體電芯溫度不均勻，故液熱+加熱膜加熱方式充電末端溫差為8℃。
4結(jié)論
本文研究了電池系統(tǒng)在低溫下采用液熱和加熱膜加熱方式下的充電性能，實(shí)驗(yàn)表明不同加熱方式下充電容量和能量相接近，但溫升速率、總充電時(shí)間及充電溫差具有差異。
其中，液熱方式溫升速率較低，充電時(shí)間長，但電芯溫差較小。對(duì)比-20℃下液熱串聯(lián)和并聯(lián)方式，溫升速率分別為0.11℃/min和0.22℃/min；總充電時(shí)間分別為349min和221min；溫差分別為4℃和6℃，液熱并聯(lián)方式溫升速率更高且總充電時(shí)間更短。
加熱膜加熱溫升速率可達(dá)到0.5℃/min，-20℃下充電時(shí)間為171min，但該加熱方式電新溫差較大，約為9℃。
采用液熱+加熱膜加熱方式的溫升速率約為液熱和加熱膜加熱兩種方式分別加熱溫升速率之和，溫升速率的提高導(dǎo)致總充電時(shí)間降低，液熱+加熱膜加熱方式總充電時(shí)間減少為141min。
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