插电式混合动力车辆液冷动力电池系统设计

田旭，潘成久，刘开平，王禹

（华晨汽车集团控股有限公司，辽宁 沈阳，110044）

[摘要]针对PHEV设计液冷动力电池系统，经仿真、试验测试：液冷动力电池系统具备良好的加热/冷却性能、温度一致性、隔热性能。

关键词：PHEV；动力电池系统；液冷系统

Water cooling battery system design for plug-in hybrid electric vehicle

Xu tian, Chengjiu Pan, Kaiping Liu, Yu Wang

Huachen Automotive Group Holdings Co., Ltd, Shenyang 110000

[Abstract] Water cooling battery system design for plug-in hybrid electric vehicle, by the simulation and experimental test: the results show that the water cooling battery system exhibit good heating/cooling performance, temperature uniformity, thermal insulation performance.

Keywords: PHEV; battery system; water cooling system

前言

由于传统能源消耗、环境恶化、国家政策^[1]等原因，使得新能源车辆得以迅速发展。其中，PHEV^[2]同时具备纯电动行驶工况和发动机参与驱动车辆行驶工况。使得人们在日常工作中，既可以采用环保经济的纯电动工况；又可以在长途旅行时，采用发动机参与驱动的工况。

PHEV在行驶过程中常常需要电池的高倍率充放电，电池产生的热量一直困扰着开发人员，同时身处北方的华晨又面临锂离子电池低温性能差^[3]的挑战。本文设计了一款液冷动力电池系统，并进行了相应的设计验证试验。

1 液冷动力电池系统设计

1.1 PHEV用动力电池系统选型输入

根据项目整车定义，依据整车仿真模拟、项目经验积累，总结出对动力电池系统的选型输入，详见表1。

表1  动力电池系统性能需求

1.2 动力电池系统设计

1.2.1 电芯/模组选型

a.满足整车纯电续驶里程要求

根据当前国家相关法规要求，混合动力车辆的纯电行驶里程≥50km，依据整车百公里能量消耗计算动力电池系统所需能量，经仿真计算以及电池技术发展，电池系统总能量≥12kWh。

b.匹配整车高压系统用电功率需求

动力电池系统可提供功率≥驱动系统需求功率+加热部件需求功率+冷却部件需求功率+其余部件所需功率。

c.实现高效热管理技术的难点

混合动力车辆在行驶过程中电池长时间处于高倍率充放电状态，动力电池系统发热量大，设计初期即定义采用液冷方式对电池进行冷却，故在电芯/模组选型中需选取可实现液冷功能的电芯/模组。

1.2.2 热管理系统仿真

a.冷却功能

PHEV在运行的条件下，动力电池系统要面临长时间连续的大电流充放过程，系统将产生大量的热量。传统的风冷系统受限于系统的防护等级要求以及系统空间尺寸要求，散热效果很差，严重的影响了系统的工作性能。由于液冷冷却方式冷却效果快、空间利用率高，将改善混和动力电池系统的散热难题。

b.加热功能

由于锂离子电池的本身特性，在低温环境下工作，其功率性、安全性、使用寿命都将大幅度降低。因此在动力电池模组下面贴上一层加热膜，通过加热膜对电池加热，电芯的受热均匀、系统温差小，同时降低系统的空间、控制难度以及成本。

c.温度一致性^[4]

当动力电池系统在运行的情况下，由于每个单体电芯的内阻不同，产生的热量不同进而在整个动力电池系统内部产生温差；另外，由于电池单体在系统内的布置位置不同，每个电池单体的散热量不同，同样也会产生温差。足够的散热量以及系统的结构设计将影响温度的一致性。

d.隔热功能^[5]

将整个动力电池系统与外部环境隔开，使得系统尽可能的不受外部环境温度影响。即使外部环境处于高温/低温，系统的初始工作温度依就保持在适宜的温度。

依据以上四点，在热管理系统的仿真、选型、设计过程中不断优化。下图是部分仿真优化。

对图1、图2均是仿真得出的冷却液流量分布情况，在图3中将优化前后的方案进行对比，可以看出优化后的液冷板，压降显著降低。

图1 初版液冷板流量仿真         图2 优化后液冷板流量仿真

图3  液冷板流量压降对比

在液冷板优化后，在仿真软件中输入电池模组、液冷板、整包部分结构参数等，对单个液冷板及模组进行热仿真，图4仿真结果表明模组内温度差异＜4^oC。

图4  单个液冷板热仿真

为保证整个系统的隔热性，选取导热系数合适的隔热材料对整个系统进行隔热。通过图5的仿真结果可以看出系统的温度由25^oC降至-10^oC共需22h，平均降温速率在1.59^oC/h。

图5  动力系统隔热性能仿真

1.2.3 动力电池系统集成设计

依据整车性能目标，在电芯/模组选型、热管理结构设计完成后，对整个系统的箱体结构、高压电子电器部件、BMS等其余零部件进行了设计。图6为动力电池系统结构示意图。

图6  动力电池系统结构示意图

2 动力电池系统试验验证

2.1 高温放电冷却试验

图7为动力电池系统高温放电冷却试验温度变化曲线。试验中采用样车试验场实际运行的电流谱进行充放电，最大放电电流可达7C，最大充电电流可达4C。将动力电池系统放在温箱中同温至40℃。试验开始时为纯电动工况，平均放电电流可达4C，系统发热量大，同时冷却系统刚刚启动，冷却液温度与环境温度相同，导致系统温度有小幅度增加。当冷却开启一段时间后，系统温度迅速下降。在整个循环过程中，电池包内温度呈周期性变化，同时温差≤5℃。

图7  高温放电冷却试验温度变化曲线

2.2 低温隔热性能试验

图8为动力电池系统低温隔热性能试验温度变化曲线。将动力电池系统放置在环境箱中，环境温度设定为-30℃。整个试验用时约44.3小时，动力电池系统由19℃降温至-15℃±2℃，平均温降速率为0.77℃/h，在最开始的8h温降速率为1.5℃/h、2.25℃/h；试验过程中，约80%的时间温差在5℃以下。

图8  低温隔热性能试验温度变化曲线

2.3 低温加热试验

图9为动力电池系统低温加热试验温度变化曲线。将动力电池系统完成低温隔热性能试验后，开启加热试验。加热约45min后，动力电池系统温度≥10℃，加热速率≥36℃/h，同时在加热过程中产生的温差≤6℃。

图9  低温加热试验温度变化曲线

3 总结

采用液冷方式对动力电池系统进行冷却，在高温、大倍率条件下试验，整个试验过程中系统温差≤5℃；

采用加热膜方式进行加热，在低温条件下试验，整个试验过程中系统温差≤6℃；

隔热结构的设计，明显的延缓了动力电池系统的降温速率，减缓了车辆在低温环境中启动的问题，系统大部分时间温差≤5℃；

通过液冷、加热膜、隔热的设计，实现了系统内温度、温差的可控，进而提升了电池单体的一致性、整包的寿命。

[参考文献]

[1]欧阳明高.中国新能源汽车的研发及展望[J].科学导报.2016（06）.

[2]侯聪，王贺武，欧阳明高.基于出行里程分布的PHEV平均燃油消耗计算方法[J].汽车工程.2014（12）.

[3]杜晓莉，邓爽，王宏伟.锰酸锂动力电池高低温性能研究[J].电池工业.2012（03）.

[4]戴海峰,王楠,魏学哲,孙泽昌,王佳元. 车用动力锂离子电池单体不一致性问题研究综述[J].汽车工程.2014（02）.

[5]潘成久，郭宏飞.电动汽车电池包保温与加热的研究[A].2013中国汽车工程学会论文集[C]，2013.