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純電動汽車動力電池低溫充電熱管理試驗研究

2021-10-19 23:15:36·  來源：汽車熱管理之家  
　
摘要：在低溫環(huán)境中動力電池充電速度慢、充電容量低。本文對低溫環(huán)境下的電池采取隔熱優(yōu)化、加熱管路優(yōu)化及控制策略優(yōu)化等熱管理措施，并對其充電效果進(jìn)行驗證。
摘要：在低溫環(huán)境中動力電池充電速度慢、充電容量低。本文對低溫環(huán)境下的電池采取隔熱優(yōu)化、加熱管路優(yōu)化及控制策略優(yōu)化等熱管理措施，并對其充電效果進(jìn)行驗證。
 
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(jìn)行測試，先將電芯保溫24 h，使其溫度達(dá)到60 ℃，然后讓電芯從60 ℃逐級降到-30 ℃，測其直流內(nèi)阻(DCIR)從1.5 mΩ升至13.5 mΩ，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。
 
圖1 某型電芯75%SOC的不同溫度的DCIR
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3.4 V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0.15 h；而在低溫-10 ℃時，由于電芯DCIR進(jìn)一步增大，充電容量僅達(dá)常溫(25 ℃)的75%，且比常溫充電時間長約0.35 h。
 
圖2 某型電芯不同溫度充電性能
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?，?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(hù)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(dá)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(jìn)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(diǎn)。
 
圖3 某車型PTC加熱原理圖
為滿足低溫環(huán)境動力電池快速升溫，能快速進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行測試，將常溫25 ℃下的整車靜置在-40 ℃環(huán)境艙中，保溫27 h后，當(dāng)電池包電芯的初始最低溫度降至10 ℃時，開始進(jìn)行測試記錄。經(jīng)過37 h，電池電芯最低溫度降至-10 ℃，平均溫降速率約0.54 K/h，且電芯極端溫差較大(在5～7 K)。
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(jìn)行測試，將常溫25 ℃下的整車靜置在-40 ℃環(huán)境艙中，保溫約120 h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156 h，電池電芯最低溫度降至-10 ℃，平均溫降速率約0.128 K/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3～5 K)。
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(jìn)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1～2 mm，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3.2 W/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(dá)4.8 W/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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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0.2 h,耗能降低了0.9 kW·h，充電時間縮短約0.32 h。
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(jìn)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2.2 h和1.8 h，平均充電功率分別為30 kW和35 kW。全程平均充電功率提升約5 kW，充電時間縮短約0.4 h。
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。
作者：劉志平1，張 雄1,2，謝 鑫1,2
1.深圳渝鵬新能源汽車檢測研究有限公司
2.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心
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