低温加热策略对动力电池快充时间影响的研究

摘  要：为保证纯电动汽车低温性能，低温下需对动力电池制定有效的加热措施。文章基于Amesim，建立了某款动力电池系统冷却液加热模型。对比分析了低温下定目标水温与变目标水温对动力电池系统快充时间、温差、能耗影响，快充SOC5%-95%定目标水温快充时间比变目标水温快约21min，电池包最大温差增加3℃，能耗增加0.42kWh。在次基础上分析了不同定目标水温对动力电池性能影响，定目标水温每增加10℃，快充时间减少2-3min，电池包最大温差增加约1℃。最后对比了降档策策略对快充时间影响，直接降档与关闭加热器降档快充时间、电池包最大温差基本相同，能耗减小5.6%，档位波动次数减小37%。

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作者信息：
姓名：马广青，熊飞，朱林培
工作单位：广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院
基金项目：广东省重点领域研发计划资助（编号：2019B090909001）

前  言

近年来随着化石能源的日益消耗，人们环保意思的提高，相对传统汽车产生CO、HC及NOX、微粒、臭气等排气污染，纯电动汽车作为一种无污染、低噪声、能源效率高的新型交通工具，越来越受到人们的关注及应用。动力电池作为纯电动汽车的关键部件之一，其性能表现直接影响纯电动汽车的整车性能。温度对动力电池尤其三元锂离子动力电池工作特性产生影响，高温下动力电池循环寿命减低、充放电功率受限、充电时间延长；低温下动力电池内部活性物质显著下降，电池内阻增加、充放电功率及容量明显降低，极端情况下，可导致动力电池无法充放电等情况，温度对动力电池的影响，造成整车寿命下降、充电时间延长、续驶里程下降，尤其低温下影响显著。为了保证纯电动汽车高低温性能，需要对动力电池制定有效的热管理措施，包括高温下冷却，低温下加热。本文基于三元锂离子电池，研究低温下加热策略对充电时间及能耗影响。

1  加热方式

目前动力电池低温加热主要有风加热、冷却液加热、加热膜(或加热片、加热丝)加热及动力电池自充放电加热。风加热是指以热空气作为介质直接流经动力电池达到加热目的，风加热又分自然对流与强制对流，一般采用强制对流通过风扇将热风输送到电池箱体，与动力电池产生热交换。冷却液加热即以冷却液作为介质加热动力电池的方法。加热膜加热是指在动力电池表面增加加热膜，加热膜通电将热量传给电池包从而达到加热目的。电池自加热是指利用动力电池本身内阻，给动力电池通一定电流产生焦耳热加热动力电池。各加热方式的特点如表1。本文基于冷却液加热动力电池方法进行研究。

表1 各加热方式特点对比


2  动力电池加热系统建模

动力电池热管理系统包括冷却和加热，本文基于动力电池加热系统进行研究，故只建立加热系统，其包括水泵、动力电池、加热器(HVH)、chiller(此时不工作)等部件如图1。动力电池为1P92S三元锂离子电池，采用冷却液加热方式， 加热管道(与冷却共用)置于电池包底部，加热时加热器通电加热冷却液，通过水泵带动冷却液循环加热动力电池，动力电池及冷却液流向示意图如图2。


图1 某动力电池加热系统架构图


图2 某动力电池加热管路

动力电池在加热过程中以加热器出水温度(不考虑管路热损失即电池包如水温度)为控制目标。加热策略对比了定目标水温与变目标水温，定目标水温设定45℃，变目标水温考虑电池包最低温度与电池入水温度保持一定温差而设定，具体如图3。加热器在加热起始按最高档开始加热，达到目标水温上限后停止加热，此时水温下降，等水温低于目标水温后加热器启动以上一档减一的档位继续加热， 若此时水温下降低于目标水温下限，加热器启动以上一档位加一的档位继续加热，直至动态平衡。设T0为目标水温，T1为目标水温上限，T2为目标水温下限，T1-T0=T2-T0为回滞区间，H1、H2、H3、H4为档位，具体加热器档位变化如图4。


图3 目标水温加热策略


图4 加热器档位切换策略示意图

本文基于Amesim建立动力电池加热系统模型，模型中加热器简化为功率元件和管路阻力元件，不同温度不同档位下加热器功率如下表2，加热器效率95%，chiller部件因不考虑冷却简化为管路元件，动力电池采用一阶RC模型并建立模组级模型，模组一1P6S*12，模组二1P5S*4，假设电池包静置足够长时间电池包起始温度等于环境温度，不考虑电池包起始温差及电芯不一致性，如图5。

表2 加热器加热功率



图5 动力电池加热系统模型

3  不同加热策略对快充时间影响

3.1  不同加热策略对快充时间影响

低温下动力电池充电功率及充电倍率受限，导致充电时间延长，为缩短充电时间，需对其进行加热。本文分析了定目标水温及变目表水温对纯电动汽车直流快充时间及能耗影响。电池包起始温度-30℃，SOC从5%快充到95%。其仿真结果如下表3、图6。

从分析结果可知，变目标水温比定目标水温快充时间增加21min，电池包温差减小3℃，能耗降低15%，档位波动次数增加250%。

表3 不同加热策略对快充时间影响



图6 不同加热策略动力电池性能表现

3.2  不同定目标水温对快充时间影响

不同定目标水温影响动力电池加热的快慢，影响动力电池的充电倍率，从而影响快充时间。本文对比分析了不同定目标水温对快充时间、能耗、电池最大温差的影响，结果如表4，图7。

从结果可知加热目标水温45℃， SOC5%-95%快充时间107.2min，电池包温差11.5℃，能耗2.52kWh；水温目标降低10℃，快充时间增加3.7min，电池包最大温差减小0.6℃，能耗减小9.9%；水温目标增加10℃，快充时间减小1.5min，电池包最大温差增加0.9℃，能耗减小3.2%；

表4 不同定目标水温对快充时间影响



图7 不同定目标水温对比

3.3  加热器降档策略对快充时间影响

前述加热水温达到目标水温上限后，档位需要降一档，在降档过程中有两种选择直接降档与关闭加热器等水温低于目标值后降档。以下对两种降档策略进行了对比分析，分析结果如表5、图8。直接降档与关闭加热器降档快充时间、电池包最大温差基本相同，能耗减小5.6%，档位波动次数减小37%。

表5 降档策略对快充时间影响



图8 不同降档策略对比

4  结论

温度对动力电池工作性能产生显著影响，尤其低温环境，为使动力电池工作在合适的温度范围，缩短快充时间，本文研究了不同加热策略对动力电池快充时间影响。

1)针对不同加热策略影响动力电池加热快慢从而影响快充时间，分析了定目标水温与变目标水温两种加热策略对快充时间影响，定目标水温比变目标水温快充时间减少21min，档位波动次数减少250%，但电池包最大温差增加3℃，能耗增加15%，实际如何选用定目标水温与变目标水温要综合考虑快充时间、电池包最大温差及档位波动。

2)其次分析了不同定目标水温下对快充时间影响，定目标水温35℃比45℃快充时间增加3.7min,电池包最大温差减小0.7℃，能耗减小0.25kWh；定目标水温55℃比45℃快充时间减小1.5min,电池包最大温差增加0.9℃，能耗减小0.08kWh。

3)最后对比了加热器采用不同降档策略对快充时间的影响，直接降档与关闭加热器降档快充时间、电池包最大温差基本相同，能耗减小5.6%，档位波动次数减小37%。