新能源汽車快速發(fā)展的同時也面臨一系列嚴峻的挑戰(zhàn)。充電時間、續(xù)駛里程、安全性等均受到動力電池的影響。鋰離子動力電池在不同的環(huán)境溫度下表現(xiàn)出不同的特性。高溫環(huán)境下，動力電池在大倍率充放電過程中會發(fā)生劇烈的化學反應，產(chǎn)生大量的熱量，如果動力電池產(chǎn)生的熱量無法及時疏解會在動力電池內(nèi)部積累導致動力電池溫度升高，嚴重時可能發(fā)生爆炸。低溫環(huán)境下，可用能量和功率衰減嚴重影響了動力電池的續(xù)駛里程及低溫動力性。低溫環(huán)境下，動力電池功率特性變差和充放電效率下降是制約電動汽車發(fā)展的因素之一。因此，電動汽車在高、低溫環(huán)境下的熱管理研究是新能源汽車的發(fā)展重點之一。



動力電池的熱管理可分為高溫環(huán)境下的冷卻管理和低溫環(huán)境下的加熱管理。高溫冷卻技術(shù)可以分為空冷、液冷、熱管冷卻和相變冷卻。



低溫加熱技術(shù)主要分為內(nèi)部加熱法和外部加熱法，內(nèi)部加熱法是利用動力電池本身產(chǎn)生的焦耳熱來實現(xiàn)的，但其對動力電池的壽命和安全性的影響尚不明確，且在電動汽車領域還處于研究的初級階段，因此應用較少；外部加熱法是利用高溫氣體、高溫液體、電加熱板、相變材料以及珀爾貼效應等手段通過外部熱源實現(xiàn)對動力電池的加熱，這種方法主要依靠外部熱源對動力電池進行加熱，相比內(nèi)部加熱法更安全。



液體冷卻因其較高的換熱效率和散熱速度，在電動汽車領域得到普遍應用。而在液體冷卻的

基礎上改變冷卻液溫度即可在低溫環(huán)境下對動力電池進行加熱，不需要增加額外設備成本。現(xiàn)階段針對動力電池低溫熱管理的研究主要集中在充電熱管理方面，對電動汽車行駛過程的熱管理策略研究較少。本文基于AMESim的1D仿真模型，針對電動汽車行車過程中的低溫熱管理策略功能分析不同電量來源以及不同初始SOC下啟動低溫行駛加熱功能對動力電池放電功率的影響，旨在通過低溫熱管理系統(tǒng)提升動力電池低溫動力性，并對電動汽車低溫行車過程中的熱管理方案提供一定的指導。



1低溫熱管理原理簡介及方案設計



1.1低溫熱管理原理簡介

本文以某款電動汽車低溫熱管理系統(tǒng)原理為例，設計低溫加熱方案，如圖1所示，主要包括PTC、PTC回路水泵、Chiller（熱交換器）、電池回路水泵、液冷系統(tǒng)、動力電池和管道。電池熱管理系統(tǒng)根據(jù)動力電池的最低溫度對動力電池進行低溫加熱管理，當動力電池需要加熱時，PTC加熱PTC回路的冷卻液后通過Chiller對電池回路冷卻液進行加熱，電池回路通過液冷系統(tǒng)對動力電池進行加熱，從而實現(xiàn)動力電池溫度控制。



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1.2低溫熱管理方案設計

電動汽車預加熱功能作為電動汽車的一種低溫熱管理策略，用戶根據(jù)出行需求提前一段時間設置是否開啟此功能。在用戶開啟此功能后，電動汽車熱管理系統(tǒng)會根據(jù)電池溫度判斷是否需要開啟動力電池加熱。此功能可在一定程度上提升動力電池低溫特性。本文基于電動汽車預加熱功能進行預加熱方案設計，研究預加熱功能對動力電池低溫動力性的提升效果。一般情況下，鋰離子動力電池在環(huán)境溫度為-10℃以下時，其容量和工作電壓下降嚴重，且根據(jù)電動汽車用戶大數(shù)據(jù)顯示，用戶最低使用環(huán)境溫度也在-10℃左右，因此，本文基于用戶實際用車環(huán)境，選定環(huán)境溫度為-10℃作為研究的最低溫度。此外，研究表明，鋰離子動力電池工作的最佳溫度區(qū)間為10～35℃，同時根據(jù)動力電池放電功率（表1）可知，動力電池溫度在10℃時，初始SOC在20%～100%之間均能滿足動力電池目標放電功率（80kW）的需求，因此，選定10℃為預加熱的目標溫度。預加熱具體方案是在環(huán)境溫度為-10℃的情況下，通過PTC將動力電池溫度預加熱到10℃后進行放電，根據(jù)PTC電量來源分為兩種：A方案，PTC電量來源于充電樁；B方案，PTC電量來源于動力電池。



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2基于Amesim的1D仿真模型



本文主要研究動力電池電壓和溫度變化情況，且動力電池低溫熱管理系統(tǒng)中以電池最低溫度作為判斷標準，因此，仿真模型標定時以動力電池最低溫為準。模型搭建前對動力電池電模型和熱模型進行標定。將試驗邊界和試驗電流輸入模型后，仿真電壓與試驗電壓對標結(jié)果如圖2所示，電壓誤差在4%以內(nèi)；仿真溫度與試驗溫度對標結(jié)果如圖3所示，溫度誤差在2℃以內(nèi)。對標結(jié)果表明，仿真模型精度足夠進行后續(xù)預加熱方案的仿真驗證。仿真過程中控制PTC回路和動力電池回路冷卻液流量均為10L/min，通過控制PTC功率（額定功率5kW）保證動力電池回路液冷系統(tǒng)的冷卻液入口溫度為30℃。



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3預加熱對動力電池動力性的影響



通過預加熱功能將動力電池的初始溫度加熱到10℃，放電過程中不采取任何加熱措施，僅靠電池自身的保溫措施對電池溫度進行保持，從而達到保證動力電池動力性的目的。這種方式在一定程度上能滿足動力電池動力性需求，但是受動力電池保溫性能影響較大。



3.1電量來源對目標功率持續(xù)時間的影響

動力電池預加熱的電量主要來自充電樁或者電池自身，不同的電量來源進行預加熱時對動力電池目標功率持續(xù)時間的影響不同。當動力電池進行預加熱的電量來源于充電樁時，對動力電池自身電量無影響，而用動力電池自身電量進行預加熱時，會影響動力電池自身的電量，進而影響動力電池目標功率的持續(xù)時間。不同電量來源對動力電池不同初始SOC的目標功率持續(xù)時間增量（與不進行預加熱時對比）的影響見表2。



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由表2可知，當動力電池初始SOC為100%、90%、80%時，利用動力電池自身電量進行預加熱時會降低目標功率持續(xù)時間，而用充電樁電量進行預加熱時則提高動力電池目標功率持續(xù)時間；當動力電池初始SOC為70%以下時，無論是利用充電樁電量還是動力電池自身電量進行預加熱均能提升動力電池目標功率持續(xù)時間。



動力電池放電功率與動力電池溫度和SOC直接相關，當動力電池處于不同初始SOC時，進行預加熱后放電過程中動力電池的放電功率和溫度變化如圖4～12所示。由圖可知，當動力電池利用充電樁的電量進行預加熱時，目標功率持續(xù)時間較對照組有所提升，但在初始SOC較高的情況下，隨著動力電池放電持續(xù)時間增長，電池溫度呈現(xiàn)下降趨勢，初始SOC越高放電結(jié)束時的溫度越接近對照組，因此，初始SOC越高，目標功率持續(xù)時間的增量越小；當動力電池利用自身電量進行預加熱且初始SOC較高時，動力電池放電起始階段的放電功率高于對照組，但隨著放電時間增長，動力電池放電功率低于對照組，且初始SOC較高時動力電池自身放電功率已經(jīng)滿足目標功率需求，此時進行預加熱會造成電量浪費。



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3.2環(huán)境溫度對目標功率持續(xù)時間的影響

環(huán)境溫度是影響動力電池動力性的直接因素，不同環(huán)境溫度下動力電池的動力性表現(xiàn)不一樣，因此，在不同環(huán)境溫度下研究動力電池預加熱效果至關重要。根據(jù)上一小節(jié)的分析，不同環(huán)境溫度下動力電池預加熱效果從以下兩個方面分析。



3.2.1預加熱電量來源于充電樁

當動力電池預加熱電量來源于充電樁時，不同環(huán)境溫度（默認初始狀態(tài)下動力電池溫度等于環(huán)境溫度）下目標功率持續(xù)時間的增量見表3。由表可知，不同環(huán)境溫度下，目標功率持續(xù)時間增量不同，且目標功率持續(xù)時間增量隨著初始SOC降低呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；環(huán)境溫度越低目標功率持續(xù)時間增量越大。



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3.2.2預加熱電量來源于動力電池

當動力電池預加熱電量來源于動力電池自身時，不同環(huán)境溫度下目標功率持續(xù)時間的增量見表4。由表可知，不同環(huán)境溫度下，當預加熱電量來源于動力電池時，目標功率持續(xù)時間增量不僅與動力電池初始SOC有關，同時還受到環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度越低，通過預加熱提升動力電池目標功率持續(xù)時間增量的初始SOC越高。



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4預加熱+行駛加熱對動力電池動力性的影響



預加熱功能在一定程度上解決了動力電池低溫動力性不足的問題，但是預加熱策略一方面需要考慮預加熱電量的來源，另一面需要考慮動力電池初始SOC和環(huán)境溫度，且預加熱策略受用戶影響較大，如果用戶在高SOC時用車，在動力性未受到影響的情況下停止用車，會造成預加熱消耗的電量浪費。此外，預加熱目標溫度也對目標功率持續(xù)時間有影響。因此，根據(jù)項目實際需求，結(jié)合用戶實際用車情況，本文提出通過預加熱+行駛加熱（C方案）的低溫熱管理方案來提升動力電池低溫動力性。



4.1預加熱+行駛加熱方案設計

動力電池放電功率受動力電池溫度和SOC的影響，不同的動力電池溫度和SOC對應不同的動力電池放電功率。預加熱+行駛加熱方案以保持動力電池目標功率80kW為目的，預加熱時，當動力電池放電功率＜80kW時開啟加熱，動力電池放電功率＞85kW時停止加熱；放電過程中，當動力電池放電功率＜85kW時開啟加熱，當動力電池放電功率＞90kW時停止加熱。



由表1可知，當動力電池溫度為-10℃時，初始SOC在40%及以上時，不需要進行預加熱，僅當放電過程中動力電池放電功率不滿足加熱策略設定的目標值時開啟加熱，同理當動力電池溫度為0℃時，初始SOC在30%及以上時，不需要預加熱。這在一定程度上對預加熱的加熱策略進行了簡化，且不會因用戶行駛里程較短而造成預加熱電量浪費的問題。



4.2預加熱+行駛加熱方案目標功率持續(xù)時間

4.2.1初始SOC≥40%時目標功率持續(xù)時間

動力電池初始SOC在40%及以上時，由于不需要進行預加熱，所以放電工況不需要考慮預加熱電量來源的問題，此時目標功率持續(xù)時間見表5。由表可知，新方案提高了動力電池目標功率持續(xù)時間，同時，與預加熱目標功率持續(xù)時間相比，新方案對目標功率持續(xù)時間的提升要大于預加熱方案。



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動力電池放電過程中，當動力電池放電功率滿足目標功率需求時，開啟行駛加熱，動力電池放電過程中放電功率變化如圖13所示。由圖可知，當動力電池放電過程中觸發(fā)預加熱+行駛加熱策略設定的加熱開啟功率時，開啟預加熱+行駛加熱功能，此時動力電池放電功率升高，從動力電池觸發(fā)預加熱+行駛加熱功能到停止該功能的時間約為12min，且此過程中動力電池功率均能滿足目標功率需求。



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4.2.2初始SOC為30%、20%時目標功率持續(xù)時間

當動力電池初始SOC為30%、20%時，動力電池初始放電功率不能滿足目標功率需求，因此，需要進行預加熱。此時，按照預加熱電量來源對其目標功率持續(xù)時間進行分析，見表6。



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由表6可知，當利用充電樁的電量進行預加熱時，目標功率持續(xù)時間增量仍然大于利用動力電池自身電量進行預加熱，且與不進行低溫加熱時相比，采用預加熱+行駛加熱方案提升了動力電池目標功率持續(xù)時間。

當動力電池初始SOC為30%、20%時，根據(jù)動力電池預加熱電量來源不同，動力電池放電過程中放電功率變化如圖14所示。由圖可知，當動力電池初始SOC為30%時，動力電池放電過程中開啟預加熱+行駛加熱功能可以提升動力電池放電功率；

當動力電池初始SOC為20%時，開啟預加熱+行駛加熱功能同樣可以提升動力電池放電功率。



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5結(jié)論



本文針對動力電池低溫動力性問題，基于電動汽車常用的液冷熱管理系統(tǒng)，提出采用預加熱+行駛加熱的低溫熱管理方案對動力電池進行低溫加熱。建立了AMESim的1D仿真模型，驗證了預加熱和預加熱+行駛加熱兩種方案對動力電池低溫動力性的影響

效果。動力電池在低溫環(huán)境下的動力性通過合適的低溫熱管理方案得到了提升，具體結(jié)論如下。



（1）當采用預加熱方案對動力電池進行低溫加熱時，預加熱電量來源、動力電池初始SOC和環(huán)境溫度均影響目標功率持續(xù)時間增量，且當動力電池初始SOC較高時，采用預加熱方案會造成電量浪費。



（2）當采用預加熱+行駛加熱方案對動力電池進行低溫加熱時，能提升動力電池目標功率持續(xù)時間。此外，動力電池從觸發(fā)低溫熱管理策略到停止低溫熱管理策略的時間為12min左右，滿足用戶的實際用車需求。



（3）相比預加熱功能，行駛加熱+預加熱功能的控制邏輯簡單清晰，當動力電池初始功率滿足目標功率需求時不會進行預加熱，該方案更能滿足用戶的實際用車需求，避免電量的浪費。