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輕型純電動(dòng)商用車動(dòng)力電池冷卻性能分析

2022-02-11 19:33:57·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：黃文雪等  
　
文章來(lái)源：上海汽車集團(tuán)股份有限公司1概述電池作為純電動(dòng)車的動(dòng)力元件，直接影響到車輛的續(xù)駛里程、壽命和整車性能。對(duì)于純電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池的充放電可能隨
文章來(lái)源：上海汽車集團(tuán)股份有限公司
1概述
電池作為純電動(dòng)車的動(dòng)力元件，直接影響到車輛的續(xù)駛里程、壽命和整車性能。對(duì)于純電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池的充放電可能隨時(shí)進(jìn)行。充放電是典型的電化學(xué)過(guò)程，其伴生的反應(yīng)熱很容易引起電池組內(nèi)100℃以上的溫差，如不及時(shí)散熱，對(duì)充放電過(guò)程、電池的可靠性和壽命都有極大的負(fù)面影響，電池?zé)嵝?yīng)問題也會(huì)影響到整車的性能和壽命。目前對(duì)動(dòng)力電池冷卻主要是:保證充放電時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散出;各模塊間溫度分布均勻。因此，本文以國(guó)內(nèi)某輕型商用純電動(dòng)車用磷酸鐵鋰電池包為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有電池冷卻方案進(jìn)行了性能試驗(yàn)對(duì)比和數(shù)據(jù)分析，確定了電池包冷卻的最終方案。
2動(dòng)力電池冷卻方案
動(dòng)力電池的冷卻主要有風(fēng)冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式;與其他兩種冷卻技術(shù)相比，風(fēng)冷方式技術(shù)更成熟，其研發(fā)、制造成本相對(duì)較低，周期短，目前被廣泛采用，國(guó)內(nèi)目前市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車也主要以風(fēng)冷為主。風(fēng)冷方式又分自然冷卻和強(qiáng)制冷卻。因此，某輕型商用純電動(dòng)車型動(dòng)力電池也選擇風(fēng)冷方式，設(shè)計(jì)了強(qiáng)制冷卻和自然冷卻兩種風(fēng)冷方式。強(qiáng)制冷卻是由鼓風(fēng)機(jī)將乘員艙內(nèi)被空調(diào)冷卻的25～30℃空氣抽進(jìn)電池箱體，通過(guò)電池箱體內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流帶走電池散發(fā)的熱量，最后排入環(huán)境中。自然冷卻無(wú)單獨(dú)冷卻系統(tǒng)，僅依靠自然對(duì)流散熱，該方式電池溫度高，但成本低。
為滿足車輛總重量大、續(xù)駛里程長(zhǎng)的要求，該車型選用磷酸鐵鋰電池電容量達(dá)75kWh。因在現(xiàn)有成熟車型上進(jìn)行動(dòng)力總成改型設(shè)計(jì)，受車體空間影響，電池必須安放在地板下，且電池模塊必須分別放置在前后兩電池箱內(nèi)才能滿足安裝要求。電池包冷卻方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。
由圖1所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析后確定下來(lái)的強(qiáng)制冷卻方式為:風(fēng)道入口布置在車廂內(nèi)第三排座椅下，通過(guò)冷卻風(fēng)道引入電池后箱，靠近后箱進(jìn)口處電池通過(guò)引風(fēng)板迫使氣流下行，后箱再通過(guò)8個(gè)膠管與前箱相連，熱空氣由布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)4個(gè)膠管從前箱抽出來(lái)，排入到大氣中。自然冷卻方式是取消電池冷卻風(fēng)道、鼓風(fēng)機(jī)，后箱入口、前箱出氣口封堵，電池箱內(nèi)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)制冷卻相同。
3電池冷卻性能分析
3.1性能設(shè)計(jì)目標(biāo)
動(dòng)力電池的冷卻性能的好壞，直接影響電池的效率，同時(shí)也會(huì)影響到電池壽命和使用安全。根據(jù)電池不同溫度下循環(huán)壽命次數(shù)、和該車型動(dòng)力電池質(zhì)保要求，該車型磷酸鐵鋰電池冷卻必須滿足如下性能目標(biāo):
(1)各工況下，電池最高溫度Tmax＜55℃;
(2)各工況下，電池單體之間的溫差△T≤7℃。
3.2冷卻性能考核工況和要求
3.2.1工況確定原則
無(wú)論是電池哪種冷卻方式，都必須通過(guò)車輛相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，這就涉及到評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、試驗(yàn)規(guī)范和要求。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)較成熟的純電動(dòng)車動(dòng)力電池的整車?yán)鋮s性能試驗(yàn)工況和方法。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況時(shí)，既需考慮電池充放電時(shí)的發(fā)熱特性，即滿足電池充放電狀態(tài)下的工作狀態(tài)，則應(yīng)選擇整車電能消耗最大的工況進(jìn)行考核;且同時(shí)充分考慮該車型目標(biāo)市場(chǎng)需求(國(guó)內(nèi)城市物流車、通勤車、園區(qū)短駁車、公務(wù)用車)。根據(jù)上述原則，性能試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)成由單一試驗(yàn)工況和順序試驗(yàn)工況組成。試驗(yàn)條件要求環(huán)境溫度38℃，濕度40－50%，光照1000W/K.m2，如路試，要求光照充足，平直路面，風(fēng)速小于10km/h。
3.2.2單一試驗(yàn)工況
3.2.2.1充電:
以80A進(jìn)行快速充電，荷電狀態(tài)(SOC)從電量最小狀態(tài)充到滿電狀態(tài);充電需求時(shí)間2.5h。
3.2.2.2放電工況:
放電工況一般是車輛從滿電狀態(tài)按以下既定工況運(yùn)行到最小荷電狀態(tài)。路試時(shí)車輛盡可能以最短時(shí)間耗電最少狀態(tài)行駛到指定路線按既定工況進(jìn)行試驗(yàn)。
(1)爬坡工況:以50km/h在7.2%坡度路面行駛，路試時(shí)，通常用負(fù)荷拖車加載力模擬坡度進(jìn)行;
(2)高速工況:根據(jù)車輛30min最高車速制定，確定100km/h勻速行駛;
(3)城市城郊工況:由城市、城郊工況組成。城市工況按(0～40km/h(5s)～停車怠速(5s)～啟動(dòng)～40km/h(5s)循環(huán)(加速和減速時(shí)間均為5s)，時(shí)間長(zhǎng)55min;城郊工況，按(0～80km/h(10s)～保持恒速(6s)～減速到50km/h(5s)
～保持恒速(6s)～加速到80km/h(5s)～保持恒速(6s)～減速到50km/h(5s)循環(huán)，時(shí)間33min后，再減速到0(7s)。
3.2.3順序試驗(yàn)工況，模擬車輛園區(qū)內(nèi)白天連續(xù)不間斷長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)充放電使用情況。以白天早上9:00到晚上6:00為一個(gè)考核周期，用單一試驗(yàn)工況中的快充、爬坡、快充、城市城郊工況順序組合成該考核工況。
3.3數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析
電池溫度測(cè)試主要是針對(duì)電池各模組中電池極柱溫度、電芯內(nèi)部溫度以及進(jìn)出口風(fēng)道溫度。試驗(yàn)測(cè)試時(shí)電池溫度通過(guò)電池管理系統(tǒng)(BMS)讀取。
3.3.1爬坡工況下兩種冷卻方式對(duì)比
爬坡工況時(shí)電池放電倍率0.9C。圖2、圖3分別為自然冷卻及強(qiáng)制風(fēng)冷的電池極柱溫度曲線。
由圖2可知，自然冷卻方式車輛以50kph，7.2%坡度帶負(fù)荷拖車行駛，SOC從95%到32%，運(yùn)行51min;卸載后以40～50kph行駛8min;爬坡中電池溫升緩慢，溫度最高點(diǎn)(49℃)出現(xiàn)在總負(fù)、總正處，電池各單體間最大溫差6℃，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。卸載后由于放電倍率下降為0.1C，最高點(diǎn)溫度迅速下降到45℃，溫降非?？?。
由圖3可知，強(qiáng)制風(fēng)冷方式以50kph，7.2%坡度帶負(fù)荷拖車行駛，SOC從93%到23%，運(yùn)行60min;卸載后以40～50kph行駛17min;加載瞬間放電倍率由0.1C上升到1.3C，電池溫度開始快速上升，很快就到達(dá)鼓風(fēng)機(jī)開啟溫度45℃，鼓風(fēng)機(jī)開啟，電池箱內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流;受艙內(nèi)冷氣流影響，后箱進(jìn)風(fēng)口部分電池10min內(nèi)溫度下降5℃，出現(xiàn)最低點(diǎn)35℃;電池溫度最高點(diǎn)47℃出現(xiàn)在前箱出風(fēng)口附近，即前箱總負(fù)極柱;爬坡過(guò)程放電倍率(0.9C)不變，電池發(fā)熱與強(qiáng)制風(fēng)冷帶走熱量幾乎達(dá)到平衡，電池溫差幾乎不變。因從后箱帶走的熱量累積在前箱，不能及時(shí)排出，前箱溫度普遍比后箱高3～4℃。強(qiáng)制風(fēng)冷電池最高溫度滿足性能要求，但溫差12℃不滿足性能要求。
3.3.2高速工況下冷卻方式對(duì)比
高速工況時(shí)電池放電倍率0.4C。圖4、圖5分別為自然冷卻及強(qiáng)制風(fēng)冷的電池極柱溫度曲線。由圖4可知，自然冷卻電池整體溫升緩慢，因放電倍率小，放熱量相對(duì)較小，且只有自然對(duì)流，電池最高溫度45℃，電池單體間溫差很小，只有4℃。從圖5可以看出，強(qiáng)制冷卻受場(chǎng)內(nèi)冷空氣影響，后箱開始也是溫度下降到36℃;因受電池鼓風(fēng)機(jī)溫度策略影響，鼓風(fēng)機(jī)沒有開啟，電池箱內(nèi)靠前后箱空氣溫差的緩慢對(duì)流，受熱空氣影響，進(jìn)口處電池溫度又緩慢回升到39℃，電池間溫度也沒有明顯變化，溫差只有5℃，前箱溫度也只比后箱高1～2℃.兩種冷卻方式在高速工況下都能滿足性能設(shè)計(jì)要求。
3.3.3城市城郊工況下冷卻方式對(duì)比
城市城郊工況時(shí)電池等效放電倍率約0.8C.圖6、圖7分別為自然冷卻及強(qiáng)制風(fēng)冷的電池極柱溫度曲線。
車輛先以一般工況行駛到指定地點(diǎn)，再以城市城郊工況行駛，測(cè)試時(shí)SOC從88%到41%，城市工況行駛55min，城郊工況行駛33min;由圖6可知，自然冷卻方式下電池溫升緩慢，電池溫度由起初37℃上升到最后的43℃，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在后箱、前箱總正、總負(fù)極柱處，電池單體間溫差6℃，滿足性能要求。
由圖7可知，車輛開始運(yùn)行時(shí)鼓風(fēng)機(jī)就開啟，電池箱內(nèi)空氣強(qiáng)制對(duì)流，前箱的電池溫度比后箱高5～6℃。電池最高溫度45℃，出現(xiàn)在前箱總負(fù)極柱點(diǎn)，電池單體間溫差14℃，電池均勻性差，不能滿足性能要求。
3.3.4充電狀態(tài)下冷卻方式對(duì)比
車輛以兩種冷卻方式進(jìn)行快速充電考察電池箱內(nèi)電池溫度變化。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)，兩種冷卻方式下電池的最高溫度和溫度對(duì)比如圖8。自然冷卻方式電池最高溫度比強(qiáng)制冷卻高2℃，溫差比強(qiáng)制冷卻低1℃。
3.3.5順序工況下冷卻方式對(duì)比
圖9為兩種冷卻方式下的最高溫度、溫差。由圖9可知，自然冷卻滿足電池的最高溫度、溫差性能要求;強(qiáng)制風(fēng)冷下電池最高溫度低于自然冷卻4℃，但溫差大、電池一致性差。
從上述對(duì)比結(jié)果來(lái)看，自然冷卻滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，強(qiáng)制冷卻不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，在兼顧考慮了車輛的安全、成本、開發(fā)周期等因素后，最終確定了自然冷卻為電池冷卻方案。在后續(xù)多次性能、耐久性試驗(yàn)測(cè)試中表明，該冷卻方案完全滿足性能要求，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
4結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)性能試驗(yàn)分析得出以下結(jié)論:
(1)單一試驗(yàn)工況自然冷卻電池溫升緩慢，前后兩箱溫升趨勢(shì)一致，溫差小，一致性好;
強(qiáng)制冷卻方式風(fēng)道進(jìn)口處因受到艙內(nèi)較冷空氣流影響，溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)在進(jìn)口側(cè)，且前箱出風(fēng)口不順暢，后箱產(chǎn)生的熱量帶到前箱后不能及時(shí)排出，導(dǎo)致前箱比后箱溫度普遍要高些，電池最高溫度點(diǎn)在前箱的總正、總負(fù)極柱點(diǎn);溫差大，一致性差。
(2)順序試驗(yàn)工況最高溫度自然冷卻比強(qiáng)制冷卻高4℃，溫差自然冷卻比強(qiáng)制冷卻低10℃左右。結(jié)果表明，采用電池自然冷卻方式可以滿足性能要求。
通過(guò)該性能試驗(yàn)對(duì)比和數(shù)據(jù)分析，確定了電池最終的冷卻形式，為后續(xù)同類純電動(dòng)車型電池冷卻設(shè)計(jì)提供了性能考核方法和相關(guān)參考依據(jù)。
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