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纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统研究
2021-09-15 20:24:29· 来源：汽车热管理之家
作者：柴业鹏1 孔 为2 赵国华1 朱广燕1 展 标1 张静雅1 李 文31.奇瑞商用车（安徽）有限公司新能源研究院2.江苏科技大学 能源与动力学院3.合肥国轩高科动力能源
作者：柴业鹏1 孔 为2 赵国华1 朱广燕1 展 标1 张静雅1 李 文3
1.奇瑞商用车（安徽）有限公司新能源研究院
2.江苏科技大学 能源与动力学院
3.合肥国轩高科动力能源有限公司产品工程院
摘要：通过研究纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统，掌握电池在高温环境中（40 ℃）充放电的性能和低温环境中（-30 ℃）的加热性能，使动力电池系统的工作温度可以满足整车的正常充放电，增加动力电池系统的循环寿命，为自然冷却形式的电动汽车动力电池热管理系统的设计提供了一种新思路和新方法。
摘要：通过研究纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统，掌握电池在高温环境中（40 ℃）充放电的性能和低温环境中（-30 ℃）的加热性能，使动力电池系统的工作温度可以满足整车的正常充放电，增加动力电池系统的循环寿命，为自然冷却形式的电动汽车动力电池热管理系统的设计提供了一种新思路和新方法。
由于新能源电动汽车的补贴与推广作为国家大力支持的一项绿色节能政策，新能源汽车得到了迅速发展与推广。2020年，我国的新能源乘用车销量达到124.6万辆，预计2021年将达到150万辆。动力电池是整个电动汽车的核心部件，与电动汽车的性能和成本关系密切。与其他电池能源相比，锂离子电池具有电压高、质量轻以及无污染等优点。目前，纯电动汽车使用的动力类型以锂电池为主，主要包含三元锂电池和磷酸铁锂电池，而锂电池的安全工作温度主要为0～55 ℃。温度对电池的影响直接影响到整车的性能表现和使用寿命。电池对温度的要求比整车更加苛刻，因此需要增加合理的电池热管理系统，以保证电池处于适宜的温度范围。近些年，夏季超过40 ℃的高温天气越来越多，冬季也容易出现低温天气，车辆的行驶工况也越来越复杂，容易导致动力电池电芯温度过高或过低，影响电池的充放电性能。有效控制温度和温差能显著提升动力电池的安全性和可靠性。
1 纯电动汽车动力电池热管理系统
1.1 纯电动汽车动力电池热管理系统结构
纯电动汽车动力电池热管理系统根据结构形式的不同，主要分为自然散热结构系统和液体冷却结构系统。目前，限于电池组成本、整车续航里程以及零部件系统可靠性等因素，国内大部分纯电动汽车依然选用自然散热结构系统。
1.2 纯电动汽车动力电池热管理系统控制方式
纯电动汽车动力电池系统将温度传感器布置在电池包内的每个模组上，依据模组大小布置1～2个温度传感器。温感布置点应能表征该模组的电芯温度。电池管理系统（Battery Management System，BMS）采集各温度值并对其进行判断处理，依据预设的程序不断调整动力电池系统的各个参数，并根据实时状态确认不同的工作状态。
2 纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统
2.1 纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统散热方案
动力电池系统的散热能力通过以下方程建立：
式中：Q为动力电池组总需求散热量；Q1为动力电池包内部电芯发热量；Q2为电池包箱体及隔热层传热量；Q3为动力电池内铜排及电子器件的发热量。
电池包箱体及隔热层传热量Q2满足：
式中：K为箱体及保温层的热导率；δ为箱体及保温层的厚度；S为箱体及保温层的面积。依据电芯的实际能力，控制充放电电流，保持电芯的温度不会上升到保护阈值。
2.2 纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统加热方案
在计算动力电池组加热能力时，同样需要建立热平衡方程：
式中：Q´为动力电池系统需要的加热功率；为动力电池系统内部电芯需要的加热功率，
=∫cmdT，c为动力电池的定压比热容，m为动力电池的总质量，T为电池温度；
´为动力电池包的上下壳体及保温层的散热功率；
为动力电池因泄露传出动力电池系统的热功率。实际计算时，可根据实际情况简化计算，计算后预留一定的加热功率，总功率正常不超过计算值的120%。
2.3 纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统实例
2.3.1 电池散热结构设计
动力电池系统高温保护阈值为55 ℃。测试工况为电池起始温度40 ℃，环境温度40 ℃，1 C充电30 min+0.3 C放电40 min。设计要求是动力电池系统在完成以上工况后最高温度不超过55 ℃。
2.3.2 电池包加热系统的设计
通过计算，每个模组侧面布置一片103 W的加热膜，故28个模组加热膜的总功率为2 884 W。
2.4 纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统控制策略实例
2.4.1 充电电流控制
由BMS计算和采集的温度和电压确认最大充电电流。快充过程中，当温度达到45 ℃时，控制最大充电电流为0.5 C。当温度达到48 ℃时，控制最大充电电流为0.33 C。当温度达到50 ℃时，控制最大充电电流为0.2 C。
2.4.2 加热膜控制
由BMS根据电池最低温度判断进行控制。当低温下进行快充时，BMS检测到电池最低温度T´≤5 ℃时，加热膜通电对电池进行加热，请求电压为加热膜额定电压，电流为加热膜额定电流。当电池最低温度升至10 ℃时，停止加热。
3 纯电动汽车动力电池自然冷却的电池热管理系统仿真
3.1 仿真模型建立
根据动力电池系统内部结构建立三维仿真模型，依据结构及初步分析，选取图1中18个可表征电池系统温度分布的采样点用于温度场的评估。
图1 仿真分析选取的温度采样点分布示意图
3.2 高温充放电工况
动力电池系统仿真的主要边界条件及工况：环境温度40 ℃；动力电池系统起始温度40 ℃；1 C充电30 min+0.3 C放电40 min。
如图2和图3所示，仿真数据显示此系统1 C充电30 min后，电池采样点18温度最高，为52.8 ℃，采样点1温度最低，为51.7 ℃。1 C充电30 min+0.3 C放电40 min工况结束后，电池采样点18温度最高，为54.7 ℃，采样点1温度最低，为52.4 ℃。
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