低温环境下纯电动汽车动力电池热管理方法

低温环境下纯电动汽车动力电池热管理方法

纯电动汽车动力电池在低温环境下会出现工作效率急剧下降的问题，文章针对该问题设计了相应的热管理方案。低温环境下，在电动汽车电机开始工作之前，采用带反馈调节功 能的正温度系数（PTC）加热系统进行汽车动力电池预加热。通过四通阀将冷却液的电池与 电机回路相通，构成了新的循环回路。电机开始运转之后，比较低温下 PTC 加热系统、电机 余热分别对电池进行加热，与二者协同作用下电池温度的变化情况，发现 PTC＋驱动系统余 热加热模式加热效率高，能量消耗少，因此，提出低温热管理方法，通过冷却液循环系统利 用 PTC 加热系统与电机产生的热量对电池进行加热或保温。为弥补纯电动汽车单一能源的不 足，以上热管理方法的能量来源于蓄电池-超级电容混合储能系统，保证电动汽车蓄电池的电 量不会因热管理系统的消耗而大打折扣。

 

 

低温环境下电动汽车电池工作效率急剧下降 是制约电动汽车发展的主要障碍之一。本文采用 了基于蓄电池-超级电容混合储能系统，正温度系 数（Positive Temperature Coefficient, PTC）加热系 统预热，PTC＋驱动系统余热加热模式的热管理方法。

 

 

电池组的加热方式为外部加热，对电池的损 耗较小，加热更为安全[1]。文献[2]选取电池底部 电加热膜加热的方式，发热元件采用了铁铬铝合 金的发热丝，而在本文中采用了更加安全的 PTC 加热器，取消了硅胶板的铺设。文献[3]分析了预 加热对磷酸铁锂动力电池性能的影响。文献[4-5] 提出了 PTC 加热系统与利用电机余热加热电池的 优势，但未考虑到 PTC 加热器加热与电机余温加 热有各自高效作用的温度区间，二者在合理的逻 辑控制下结合使用可以使加热效率提高、对电池 的损耗降低。在电池模组之间铺设通有水道的冷 却板[6]，通过四通阀连接电机冷却液循环回路，以 达到循环利用电机高温冷却液加热或保温电池的 目的。此外，在冷却板与电池之间添加传感器元 件，建立智能反馈系统，防止过度加热造成能源 浪费甚至电池热失控。

 

 

为有效改善现有纯电动汽车能源来源单一而 导致用于加热的电能不足，或因用于对动力电池 进行加热而导致车辆的续航里程减少等问题，研 究采用蓄电池-超级电容混合储能系统，为电动汽 车动力电池热管理系统提供能量[7]。相比较之下， 蓄电池往往具有较高的比能量而比功率较低，超 级电容比能量较低而比功率却是电池的 10 倍以上， 该混合储能系统可以使二者优势互补。文献[8]中 对混合储能系统的研究是基于常温情况下进行 的，而本文在-10 ℃的低温条件下进行仿真分析。蓄电池与超级电容通过双向功率变换器并联，双 向功率变换器采用 Buck-Boost 复合电路结构[9]。

 

 

1 蓄电池-超级电容混合储能系统

 

 

1.1 系统的结构

 

 

蓄电池与超级电容通过双向功率变换器并 联，系统结构示意图如图 1 所示。

 

 

 

双向功率变换器采用 Buck-Boost 复合电路结 构，如图 2 所示，在 Boost 工作模式下，电池组端 电压为 U1，总线电压为 Un，U1 通过升压电感 L、 开关管 VT2 的升压变换经 VD1 接到总线电压，和 超级电容实行功率混合。在 Buck 工作模式下，总 线电压 Uh 通过开关管 VT1 的斩波降压，经电感 L、 电容 C2 的滤波作用输出电压 U1 对电池组进行充 电，二极管 VD2 在降压过程中实现输出电流的续 流作用。

 

 

 

1.2 仿真分析

 

 

通过 Simulink 搭建超级电容和蓄电池复合作 用的能量管理系统并在-10 ℃的低温条件下运行 仿真。

 

 

如图 3 所示，低温情况下超级电容的电压基 本稳定在 32 V 左右，实现了该系统对超级电容稳 压的功能。

 

 

 

如图 4 所示，低温情况下，该系统对荷电状 态（State Of Charge, SOC）的影响较小，符合蓄 电池在相同实验环境中单独运行状态下的 SOC 变 化。

 

 

 

如图 5 所示，超级电容的充放电波动的频率 和幅度较大，是超级电容不断补偿高频功率的结 果。负载脉冲时超级电容分担了大部分的电流， 以减小对蓄电池的脉动冲击。

 

 

如图 6 所示，低温情况下电池的充放电曲线 较为平滑，避免了反复充放电对电池造成的不利 影响。因为超级电容的功率密度大，电流输出能 力强，超级电容对脉动电起到一定的平滑作用， 符合预期效果。

 

 

2 电池预加热

 

 

2.1 加热组件布置方案

 

 

本文选取电池底部电加热膜加热的方式对电 池进行预加热。该方案利用电池与电加热膜直接 接触实现热传递。电加热膜的发热元件是 PTC 加热器，PTC 加热器由陶瓷发热元件与铝管组成。该类型 PTC 发热体有热阻小、换热效率高、耐用 环保等优点，且安全性能极佳，可以极大程度避 免加热器表面的“发红”从而引起火灾。外层采 用聚酰亚胺加热膜，聚酰亚胺电热膜具有优异的 绝缘强度、抗电强度、热传导效率和电阻稳定性， 从而广泛适用于电加热领域。加热组件的布置方 案如图 7 所示，电加热膜的内部构造如图 8 所示。

 

2.2 加热方案分析

 

 

由于预加热过程中不存在电池的充放电情 况，所以电池吸收的热量满足式（1）：

 

 

1. PTC 加热实验结果分析

 

 

本文对国内某电池厂家的电池模块进行分 析，在环境温度为 5 ℃时，对电池进行充电，直到 充电截止电压为 3.65 V，记录电池充电容量。之后 采用热敏电阻加热带对电池进行加热。将加热带 接通电源，测试电池模块表面温度和加热带表面 温度的变化。

 

 

对电池进行预加热 1 h 的过程中电池模组、加 热带表面温度、流过加热带电流与时间的关系曲 线如图 9 所示。由图 9 可知，在 15～20 min 之间 电池表面温度升高最快，而在 50～60 min 之间， 电池表面温度趋于稳定。

 

 

 

2.PTC 加热系统设计

 

 

PTC 热敏电阻加热系统具备以下特点：1）电 池温度的准确测量和监控；2）环境温度的准确测 量和监控；3）能够对低温工况下的电池进行加热；4）当电池温度到达一定值时停止加热。本文采用 的 PTC 热敏电阻加热系统主要分为四个部分：温 度检测模块、控制计算模块、热敏电阻加热模块 和功率放大器模块。图 10 为加热系统的控制逻辑。

 

 

 

首先比较电池工作最佳温度和电池工作温 度，将比较值以电压的方式输入功率放大器，功 率放大器根据电压对热敏电阻输入电压，以加热 电池模块，温度测量模块将实时的电池温度反馈 给控制模块。

 

 

3 热管理系统

 

 

3.1 热管理系统建模

 

 

电池热量与冷却液热量的交换是通过与冷却 板换热完成的。图 11 为电池与冷却板的模组示意 图，图 12 为电池模组截面示意图。

 

 

在电池与冷却板之间添加传感器，其中电池 热质量块和冷板热质量块用来计算其表面温度， 热传导模块用来计算电池与冷板之间的换热量， 冷板流道模块计算冷却液与冷板的换热量。具体 的换热模型如图 13 所示。

 

 

 

热管理系统由电池回路和电机回路两个冷却 液循环回路构成。由四通阀连接二者，构成新的 冷却液循环回路。该系统可以实现利用 PTC 加热 器加热以及电机余热的利用。电池热管理系统建 模如图 14 所示，热管理系统整体布局如图 15 所 示。

 

 

3.2 热管理系统工作原理

 

 

3.2.1 电机生热原理

 

 

永磁电机在运行转动的过程中会产生一定的 损耗，这些损耗包括：铁心损耗、绕组铜耗、永 磁体涡流损耗、机械损耗，这些损耗最终绝大部 分转化成热量，成为电机各部位发热的主要热源，导致电机温度升高。

 

驱动电机和电机控制器工作时的热损耗是驱 动系统的主要热源，控制器在将高压直流电转换 为三相交流电以及电机在将电能转换成机械能的 过程中存在着不可避免的能量损失，这些损失的 能量均以热能的形式散发出去，部分热能作用在 电机或控制器本身使其温度升高，另一部分热能 则通过热传导、热对流或热辐射的形式传递至外 部环境，最终消散于空气中。对电机而言，其内 部的热交换比较复杂，很多部件既是发热部件也 是传热部件，如定子铁芯、定子绕组等。通常电 机后端布置有风扇主要用于转子的散热，对于定 子产生的热量则传递给电机壳体中的冷却管道， 通过与冷却液的对流换热散发出去。另外由于电 机壳体也是金属，其表面温度与内部温度相差不 大，故热辐射量很小，可以忽略不计。

 

 

3.2.2 PTC 加热器控制策略

 

 

低温工况下，需要对电池加热，以保证电池 快速升温至适宜工作温度区。电动汽车上最常用 的电池加热方法是 PTC 加热法，通过 PTC 加热器 加热电池回路的冷却液，然后冷却液将热量通过 冷板传递至电池，为电池加热。冷却的温度不能 高于电池过多，否则会对电池造成损害；也不能 低于电池温度或高于电池温度过少，否则会起不 到加热作用或加热效果不明显。因此，在对电池 加热过程中随着电池温度的升高，需要通过控制 PTC 加热器的加热功率合理地控制冷却液的温 度，PTC 加热器是通过改变内部的欧姆阻值的大 小来改变加热功率，加热功率的计算公式如下：

 

 

式中，I 为通过 PTC 电阻的电流；U 为 PTC 两端 的电压。

 

 

通常将电池温度加热到 10 ℃以上，动力电池 可获得较好的性能，同时，考虑到 PTC 对能量的 消耗，电池自身热量的累积以及电机余热的利用， 将 PTC 的加热温度设置为 15 ℃，即当电池温度低 于 15 ℃时，PTC 开始工作，当电池温度高于等于 15 ℃时，PTC 停止加热。图 16 为 PTC 加热器的 控制逻辑图。

 

3.3 热管理系统工作方式

 

 

加热模式主要应对的情况是动力电池在低温 极端工况下需要加热以保证电池的性能。在该热 管理系统中，电池的加热方式具有两种，即 PTC 加热和电机余热加热。当电池加热需求较小时， 可利用电机余热加热。当仅靠电机余热无法满足 电池的加热需求时，可采用 PTC 加热电池冷却液。当电机产生一定余温且温度依然较低的情况下， 使用两种方式共同为电机加热。当加热到一定温 度后，出于对功耗的考虑，仅使用电机余热对电 池进行加热。

 

 

加热模式利用电机余热加热时电机回路的液 体温度需要满足两个条件：1）电机回路温度 Tcm≥ 30 ℃；2）电机回路温度 Tcm>电池回路温度 Tcb。条件 1 是电机工作对温度的需求，条件 2 保证热 能是由电机传递至电池回路。电池的加热方式分 为三种，当电池温度小于 15 ℃时，考虑到低温下 驱动系统可能存在余热加热能力不足以及电池需 要快速回温，所以 PTC 与电机和电机控制器余热 联合加热；当电池温度大于等于 15 ℃时，利用电 机和电机控制器余热加热，因为电池 15 ℃以上已 经能够较为高效工作且 PTC 能耗较高，不再适合 使用 PTC 加热器对模块进行加热。加热模式的工作控制逻辑如图 17 所示。

 

 

3.4 热管理系统测试结果

 

 

热管理系统的加热性能主要可以从将电池加 热到设定温度所需的时间和放电深度（Depth Of Discharge, DOD）两方面分析。加热到设定温度所 需的时间越短，电池也能越早在适宜温度范围内 工作，放电深度越低，加热过程所消耗的能量越 少。加热性能分析选取的环境温度为-20 ℃、-10 ℃ 和 0 ℃。对比了电池在电机余温加热、PTC和 PTC+ 电机余温加热三种加热模式下的温度变化情况， 假设电池在整个行驶工况过程中无散热情形。