新能源汽車動力電池熱管理系統淺析
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摘要文章提出了一種可以有效控制動力電池工作溫度的熱管理方案。根據外界環(huán)境溫度，采用空調制冷系統對導熱介質強制制冷，或采用PTC作為加熱模塊，強制對導熱介質進行加熱，通過管路的熱交換確保電池箱處于最佳的工作溫度，既提高了電池箱充放電的穩(wěn)定性、安全性，也延長了電池的循環(huán)壽命。
隨著社會的發(fā)展、科技的進步，新能源汽車憑借節(jié)能環(huán)保等特點，已得到廣泛的推廣和使用，動力電池作為其動力源，直接影響到新能源汽車整體性能。動力電池通過自身電化學反應，鋰離子在電池正負極之間移動從而形成電池的充放電。自身的電化學反應會放出熱量，從而導致溫度上升，而溫度升高會影響動力電池的很多工作特性參數，如內阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率、電池一致性和電池循環(huán)壽命，甚至熱失控引起電池著火。動力電池的工作溫度也會間接影響到新能源汽車的續(xù)駛里程、最高車速和加速性能。當新能源汽車處于高速行駛時，驅動電機需要動力電池提供足夠大的電流。過低的環(huán)境溫度，會使動力電池的放電電流受到限制。動力電池理想的工作溫度是25~55℃，過高或過低的工作溫度都會嚴重影響動力電池的性能，所以高效的熱管理系統對動力電池的性能、循環(huán)壽命乃至車輛的續(xù)駛里程都十分重要，因此需要在高溫和嚴寒條件下，對動力電池系統進行冷卻和加熱。目前，由于電池技術的限制，動力電池高溫熱失控，以及低溫下充放電性能受限等問題，一直影響著動力電池的應用與發(fā)展，同時也是制約新能源車輛推廣運營的主要因素[1-2]。本文通過研究動力電池的特性，結合現有技術，提出了一種可以有效控制動力電池工作溫度的熱管理方案。
1動力電池熱管理系統構成
本文的動力電池熱管理系統主要包含動力電池系統、制冷模塊、加熱模塊、膨脹水箱、水溫傳感器、三通。動力電池系統包括動力電池包1、動力電池包2、BMS控制器。制冷模塊包括空調機組、水泵、TMS控制器。加熱模塊包括PTC和加熱器控制器，PTC是正溫度系數的電阻絲。動力電池包1出水口通過三通1與動力電池包2出水口連接，動力電池包1進水口通過三通2與動力電池包2進水口連接。制冷模塊通過三通3與動力電池系統連接。維修球閥通過三通3與動力電池系統連接。水溫傳感器通過三通2與動力電池系統連接。動力電池熱管理系統構成如圖1所示。
2動力電池熱管理系統的控制方式
熱管理循環(huán)回路：膨脹水箱→三通3→空調機組→水泵→PTC→水溫傳感器→三通2→動力電池包1、動力電池包2→三通1→三通3→膨脹水箱。新能源汽車鑰匙打到ON檔時，BMS控制器開始采集動力電池包1、動力電池包2內的所有電芯溫度。當電芯最高溫度Tmax≥37℃，BMS控制器發(fā)報文給TMS控制器，TMS控制器接收報文后，發(fā)送“制冷”指令給空調機組、水泵，水泵、空調機組（壓縮機）開啟，通過內部的制冷劑（R134a等）對冷卻液水溫進行冷卻，壓縮機開啟的設定目標水溫T=18±1℃，并根據當前水溫實時調節(jié)壓縮機功率。當電芯最高溫度Tmax處于32~37℃之間時，BMS控制器發(fā)報文給TMS控制器，TMS控制器接收報文后，發(fā)送“自循環(huán)”指令給水泵，水泵開啟，空調機組（壓縮機）關閉，冷卻管路在水泵的作用下處于自循環(huán)模式。當Tmax＜32℃，BMS控制器發(fā)報文給TMS控制器，TMS控制器接收報文后，發(fā)送“關機”指令給水泵，水泵關閉，動力電池通過自身殼體與外界環(huán)境進行散熱。當電芯最低溫度Tmin處于12~15℃之間時，BMS控制器發(fā)報文給TMS控制器，TMS控制器接收報文后，發(fā)送開機指令給水泵，同時轉發(fā)報文給加熱器控制器，加熱器控制器發(fā)送“加熱”指令給PTC，水泵、PTC開啟，冷卻液設定目標水溫T=40±1℃，開始對冷卻液進行加熱，熱量經過動力電池包1、動力電池包2內部，實現電池包加熱。
3熱管理系統選型
熱管理系統需滿足動力電池正常工作所需的制冷需求，即制冷機組制冷功率等于動力電池發(fā)熱功率。本文以某款混合動力客車為基礎進行動力電池熱管理系統設計與應用搭載，車輛基本參數如表1。計算動力電池的制冷功率，需用到電池單體的生熱率，目前用得比較多的是美國加州大學伯克利分校D.Bernardi的電池生熱率模型：q=(I2R0-I⋅TdE0dT)/Vb（1）式中：q——電芯的生熱率，W/m3；I——電芯放電電流，A；R0——電芯內阻，Ω；TdE0dT——電芯電化學特性的物理量，一般為常量，本文為11.16×10-3V；Vb——電芯電池體積，m3。Vb電芯電池體積為：Vb=174×48×13×10-9=1.11×10-9m3（2）單體電池生熱率為：q=2502×0.73×10-3-250×11.16×10-31.11×10-9=38561W/m3（3）動力電池包散熱功率按式（4）計算：Pb=q⋅n⋅Vb（4）式中：Pb——動力電池包散熱功率，W；q——電芯的生熱率，W/m3；n——動力電池包電芯數量，個；Vb——電芯電池體積，m3。經計算，得：Pb=3856×100×1.11×10-9=4283.5W（5）即電池所需制冷功率為4283.5W，參考常見壓縮機制冷功率，最終選擇制冷功率為4.5kW的壓縮機。動力電池的加熱功率按式（6）計算：PPTC=C⋅m⋅(Tout-Tin)/T（6）式中：PPTC——動力電池的加熱功率，W；C——冷卻液比熱容，J/（kg·℃）；m——冷卻液質量，kg；Tout——電池冷卻液出水溫度，℃；Tin——電池冷卻液進水溫度，℃；T——電池冷卻液加熱時間，s。常用的電池冷卻液為50%的乙二醇溶液，容量為5L，其比熱容為3300J/（kg·℃），25℃密度為1071.11kg/m3，電池冷卻液出水溫度為25℃，電池冷卻液進水溫度為0℃，加熱時間為90s。經計算，得：PPTC=3300×5×1071×(25-0)/1000/90=4908.75W（7）參考常見PTC電加熱功率，最終選擇電加熱功率為5kW的PTC。綜上計算，熱管理系統的設計參數如表2所示。質散熱，這種散熱手段有一定的局限性，受環(huán)境溫度影響大，當環(huán)境溫度過高時，導熱介質的溫度無法迅速下降，溫度可控性較低。電池系統加熱也大都采用在電芯表面粘貼加熱膜進行加熱，加熱膜的加熱效率低，而且會導致觸電風險增大，故障率也會跟著增加[3]。本文的動力電池熱管理系統采用空調制冷系統對導熱介質強制制冷，不受環(huán)境溫度影響。同時采用PTC作為加熱模塊，強制對導熱介質進行加熱。整套系統內含控制系統，通過在循環(huán)水路設置水溫傳感器，采用智能化控制，可以精確的將水溫控制在設定區(qū)間，從而保證電池處于高效的工作溫度?？照{制冷系統集成安裝在一個箱體內部，集成度較高，基本上可以在不影響整車空間的情況下搭載應用，安裝便捷，可維護性高。動力電池熱管理系統主要以電池箱的進水溫度為設計目標，通過將導熱介質的溫度控制在恒定的溫度區(qū)間內，進而為電池箱輸入最佳溫度狀態(tài)的導熱介質，以確保電池箱處于最佳的工作溫度，既提高了電池箱充放電的穩(wěn)定性、安全性，也延長了電池的循環(huán)壽命，根據上述熱管理循環(huán)回路，其設計連接圖如圖2所示。
4結束語
本文提出的動力電池熱管理系統，是在現有空調系統技術基礎上的進一步改進，系統的零部件技術都較為成熟，性能穩(wěn)定，可靠性高。動力電池熱管理系統的控制器是基于整車控制技術進行研發(fā)設計，硬件和軟件設計均已多次優(yōu)化，經反復試驗，其具有較強的控制精度和穩(wěn)定性。動力電池熱管理系統主要功能是控制導熱介質的輸出溫度，因此適用于插電式混合動力客車、快充型純電動客車或燃料電池客車等新能源車輛的動力電池熱管理。本系統在應用推廣之前，經過了樣車搭載，而且車輛進行了多種工況的試驗驗證，整個試驗過程中，動力電池充放電正常，電池溫度保持在預設的溫度范圍內，整車性能穩(wěn)定、未出現故障，安全性高。
參考文獻：
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[3]張萬良.鋰離子動力電池低溫加熱模型的研究[J].電池工業(yè)，2020，24（2）：75-79.
作者:胡偉欽 單位:廈門建發(fā)汽車有限公司
