換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)分析

換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)分析劉寧;趙丹偉【摘要】為了提高電動(dòng)汽車自然冷卻形式電池的散熱能力，在普通結(jié)構(gòu)電池包基礎(chǔ)上，提出了一種新的動(dòng)力電池導(dǎo)熱結(jié)構(gòu).建立導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)和普通結(jié)構(gòu)電池仿真模型，并采用仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了仿真模型的正確性.基于仿真模型，對(duì)比分析了城市工況和爬坡工況下?lián)Q電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)和普通結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池的電芯溫度變化情況結(jié)果表明:換電電動(dòng)車在城市工況和爬坡工況運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包相較于普通結(jié)構(gòu)，電芯平均溫度下降更快，且溫度普遍較低,有利于提升電動(dòng)車動(dòng)力電池安全性能及壽命.【期刊名稱】《汽車工程師》【年(卷)，期】2019(000)003【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P31-34)【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車;換電運(yùn)營(yíng);動(dòng)力電池;熱管理技術(shù)【作者】劉寧;趙丹偉【作者單位】浙江吉智新能源汽車科技有限公司;浙江吉智新能源汽車科技有限公司【正文語(yǔ)種】中文隨著能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的加劇［1］，電動(dòng)汽車作為一種清潔、高效、低污染的新能源汽車，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視［2］。但是電動(dòng)汽車的發(fā)展還存在很多瓶頸，特別是動(dòng)力電池的技術(shù)性能突破受到許多夕卜界條件的限制，尤其是熱管理性能的制約，而熱管理性能是影響動(dòng)力電池性能至關(guān)重要的因素［3］。過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致電池的容量、壽命和能量效率的降低［4］,若電池積聚的熱量無(wú)法及時(shí)散出，會(huì)導(dǎo)致熱失控的產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)電池有發(fā)生劇烈膨脹和爆炸的危險(xiǎn)［5］。所以，針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究，是非常有必要的。文章從動(dòng)力電池導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)上展開(kāi)研究，基于仿真模型，分析了不同整車工況下?lián)Q電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池的溫度變化情況，為提升電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硇阅芴峁┮欢ǖ募夹g(shù)參考。1電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾砑夹g(shù)通常來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要包括三大方面：冷卻、加熱及保溫［6］。其中，冷卻熱管理技術(shù)的基本技術(shù)路線有：以空氣為介質(zhì)的熱管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱風(fēng)冷），以液體為介質(zhì)的熱管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱液冷），以制冷劑為介質(zhì)的熱管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱直冷），以相變材料為介質(zhì)的熱管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱相變冷卻）。冷卻熱管理技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合根據(jù)動(dòng)力電池產(chǎn)熱率和溫度環(huán)境的不同而不同。對(duì)于動(dòng)力電池產(chǎn)熱率較小、工作溫度較低的電動(dòng)汽車而言，可以考慮采用風(fēng)冷技術(shù)，其主要包括自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷。目前，對(duì)于電動(dòng)汽車，電能補(bǔ)給模式主要有交流慢充、直流快充和電池快速更換3種。其中，采用電池快速更換的電動(dòng)汽車，電池充電主要在換電站中進(jìn)行，這種模式既能滿足車輛運(yùn)行需求，又能避免電池快充對(duì)壽命產(chǎn)生影響［7］。換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車由于運(yùn)營(yíng)工況較好、電池包整體溫升較小，同時(shí)考慮到動(dòng)力電池在頻繁拆換過(guò)程中，自然冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠、成本低、安全無(wú)泄漏及便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，所以文章主要對(duì)動(dòng)力電池包自然冷卻熱管理技術(shù)進(jìn)行研究。2仿真模型的建立及驗(yàn)證對(duì)于自然冷卻形式的電池包溫度的控制，主要是通過(guò)電池包內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)將模組內(nèi)電芯產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到電池包外部，從而降低電芯溫度，提升電池的容量、壽命及能量效率。圖1示出電動(dòng)汽車電池包導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)形式對(duì)比。電池包內(nèi)導(dǎo)熱方式，如圖1a所示，即電池模組與箱體之間，除了一些支撐金屬件外，主要為空氣層材料，電芯的發(fā)熱量通過(guò)模組傳遞給空氣層，空氣層再經(jīng)過(guò)箱體后，熱量傳遞到電池包外。文章在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)一種新的導(dǎo)熱方式，如圖1b所示，即在電池模組和電池下箱體之間覆蓋一層導(dǎo)熱硅膠，電芯的發(fā)熱量通過(guò)模組傳遞給導(dǎo)熱硅膠，再經(jīng)過(guò)箱體后，熱量傳遞到電池包外，由于導(dǎo)熱硅膠良好的導(dǎo)熱特性，模組內(nèi)的熱量能更好地散出電池包外。圖1電動(dòng)汽車電池包導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)形式對(duì)比圖根據(jù)某車型及其動(dòng)力電池包數(shù)據(jù)，建立整車及動(dòng)力電池?zé)岱抡婺Ｐ停鐖D2所示。圖2整車及動(dòng)力電池?zé)岱抡婺Ｐ惋@示界面為驗(yàn)證仿真模型的正確性，文章前期調(diào)研了換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行工況，并設(shè)計(jì)了運(yùn)行工況［8］，如圖3所示。在此運(yùn)行工況下，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)普通結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的電池包進(jìn)行充放電測(cè)試，得到2種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池的溫度變化曲線，并與相應(yīng)的電池?zé)岱抡婺Ｐ蜏囟冉Y(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果，如圖4所示。圖3換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車運(yùn)行工況示意圖圖4電動(dòng)汽車不同結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池仿真與實(shí)測(cè)溫度變化曲線圖通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)電池?zé)岱抡娼Y(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)溫度變化趨勢(shì)一致。在放電終止時(shí)刻，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯實(shí)測(cè)溫度為40.34°C,仿真溫度為40.56°C;普通結(jié)構(gòu)電池包電芯實(shí)測(cè)溫度為34.25°C,仿真溫度為34.40°C。在充電終止時(shí)，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯實(shí)測(cè)溫度為38.84C,仿真溫度為38.75°C;普通結(jié)構(gòu)電池包電芯實(shí)測(cè)溫度為40.32C，仿真溫度為40.42°C?？梢钥闯?，實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度結(jié)果相差不大，最大差值僅為0.25°C,說(shuō)明文章中所建立的仿真模型能真實(shí)地反映換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中電池電芯的實(shí)際溫度變化情況。3不同車輛運(yùn)行工況下動(dòng)力電池?zé)岱抡嬗?jì)算基于建立的仿真模型，為分析換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車電池包導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)對(duì)電池包電芯溫度的影響，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，在城市工況及爬坡工況下，仿真對(duì)比2種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池的溫度變化結(jié)果。3.1城市工況下?lián)Q電電池?zé)岱抡嬗?jì)算城市工況下，換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車的實(shí)際工況和環(huán)境溫度變化，如圖5所示。城市工況按2天進(jìn)行，1天中分為2段WLTC工況運(yùn)營(yíng)過(guò)程及2段充電過(guò)程，其中WLTC工況運(yùn)營(yíng)過(guò)程持續(xù)6h。充電過(guò)程中，電池包從電動(dòng)車換下后，置于換電站25°C環(huán)境中，持續(xù)2.5h，最后經(jīng)歷室外過(guò)夜的過(guò)程，此時(shí)電池包處于7h靜置狀態(tài)。第2天，電動(dòng)汽車重復(fù)前一天的運(yùn)營(yíng)過(guò)程。電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，環(huán)境溫度的變化根據(jù)運(yùn)營(yíng)當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓M(jìn)行設(shè)置。圖5換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車城市運(yùn)行工況及對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度變化曲線圖顯示界面圖6示出城市運(yùn)行工況下不同結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池溫度變化曲線。從圖6可以看出，在第1天的初始WLTC工況中，由于外界環(huán)境溫度較高，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包平均溫度比普通結(jié)構(gòu)略高一些。充電過(guò)程中，電池包從電動(dòng)汽車上拆下后置于換電站中，換電站環(huán)境溫度為25C,溫度較低，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包由于導(dǎo)熱性較好，電芯平均溫度較普通結(jié)構(gòu)下降快。在室外過(guò)夜過(guò)程中，由于靜置時(shí)間較長(zhǎng)，環(huán)境溫度較低，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度下降較快，溫度較普通結(jié)構(gòu)電池包更低。在2天的運(yùn)行工況中，經(jīng)歷第1次充電過(guò)程后，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度均低于普通結(jié)構(gòu)。其中，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度最高值出現(xiàn)在第2天第1個(gè)WLTC工況終止時(shí)刻，為41.7C。普通結(jié)構(gòu)電池包電芯的平均溫度出現(xiàn)在第2天第2個(gè)充電過(guò)程中，為53.02C。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在電動(dòng)車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包相較于普通結(jié)構(gòu)，電芯平均溫度下降更快，且溫度普遍較低，有利于換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池安全性能及壽命的提升。圖6城市運(yùn)行工況下電動(dòng)汽車不同結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池溫度變化曲線圖3.2爬坡工況下?lián)Q電電池?zé)岱抡嬗?jì)算對(duì)爬坡工況下的換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池發(fā)熱情況進(jìn)行仿真，如表1所示。表1換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池爬坡工況條件參數(shù)表?xiàng)l件參數(shù)載荷坡度/%車速/（km/h）環(huán)境溫度/1爬坡工況1半載85038爬坡工況2半載610038在2種爬坡工況下，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池溫度變化曲線，如圖7所示。按動(dòng)力電池SOC由95%降到5%的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。從圖7可以看到，爬坡工況2由于工況條件比較苛刻，持續(xù)時(shí)間較爬坡工況1短，而溫升遠(yuǎn)高于爬坡工況1。爬坡工況1中，初始放電時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度差距較小，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)差距越大，截止到放電終止時(shí)刻（4604s），導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度為42.53°C,普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度為43.17。6爬坡工況2中，放電時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度差距變化趨勢(shì)與爬坡工況1—致，截止到放電終止時(shí)刻（2476s）,導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度為47.71C,普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度為48.44C。圖7電動(dòng)汽車爬坡運(yùn)行工況下不同結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池溫度變化曲線圖綜合來(lái)看，爬坡工況下，由于持續(xù)時(shí)間較短，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)電池包電芯平均溫度差異較小。放電過(guò)程中，電芯發(fā)熱量一定，而導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包由于散熱能力較好，電芯平均溫度會(huì)低于普通結(jié)構(gòu)電池包。所以，爬坡工況下導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包會(huì)優(yōu)于普通結(jié)構(gòu)電池包，因?yàn)槠漭^低的電芯工作溫度，會(huì)提升換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池的安全性能及壽命。4結(jié)論對(duì)于換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)汽車，由于運(yùn)營(yíng)工況較好，電池包整體溫升較小，同時(shí)考慮到動(dòng)力電池在頻繁拆換過(guò)程中，需要保證更加成熟可靠的技術(shù)及安全性能，采用自然冷卻熱管理方式的動(dòng)力電池是一種較好的選擇?；诖耍煌谄胀ńY(jié)構(gòu)形式電池包，文章提出了一種新的動(dòng)力電池導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)提出的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的仿真模型，并按照設(shè)定工況，進(jìn)行了仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，在仿真模型正確性得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)城市工況及爬坡工況下2種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力電池的溫度變化結(jié)果進(jìn)行了仿真對(duì)比。根據(jù)仿真結(jié)果可以得到，相較于普通結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)電池包由于介質(zhì)導(dǎo)熱性能較好，所以整包散熱性能較好，電芯平均溫度較低，有利于動(dòng)力電池安全性能的提高和壽命的延長(zhǎng)，對(duì)換電運(yùn)營(yíng)電動(dòng)車動(dòng)力電池包的設(shè)計(jì)具有較高的參考意義。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】芻S政耀，王若平.新能源汽車技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012:1-4.趙衛(wèi)兵.電動(dòng)車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014:1-2.唐志軍，朱群志.熱管理技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)力電池的研究[J].電源技術(shù)，2013，137（1）：103-106.羅玉濤，何小顫.動(dòng)力鋰離子電池?zé)岚踩杂绊懸蛩氐难芯縖J].汽車工程，2012，34（4）：333-338.黃倩.鋰離子電池的熱效應(yīng)及其安全性能的