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纯电动车电池加热影响因素的分析与试验研究

   次浏览   威马汽车科技   2021-02-03

引言

 

低温或高温环境下,纯电动汽车电池性能均受到不同程度的限制,尤其低温电池容量的严重衰减容易导致纯电续航里程明显下降,低温充电容易造成锂离子电池的锂离子来不及嵌入石墨负极而发生负极表面析出金属锂,严重的情况容易造成电池容量的永久性损失,因此锂电池加热成为提升低温环境下电池性能、循环寿命和使用安全的必要措施。

目前国内锂电池加热研究主要集中于锂电池单体、模组、电池包以及加热方法的仿真分析或者实验测试,而针对整车级别的锂电池加热系统研究相对较少,尤其针对整车系统锂电池加热影响因素的定量研究分析报道较少。为此,本文作者通过整车试验测试来研究分析纯电动汽车锂电池加热的影响因素,为纯电动汽车电池热管理控制策略制定和优化提供参考。

 

1纯电动汽车电池加热系统架构

 

文中试验测试所涉及的纯电动汽车电池加热系统含有燃油加热器、高压加热器、电子水泵、电子可控三通阀、电池包等零部件,如图1所示。该电池加热系统可以通过电子可控三通阀的切换实现采用燃油加热器或者高压加热器加热电池包水路循环回路中的冷却液,从而达到加热电池包的目的。

高压加热器是由高压电池包直接或间接供电,只有在电池包具有足够的剩余电量和电池包处于允许充放电的温度区间条件下,高压加热器才可以被开启工作,而燃油加热器只需低压电源供电,在电池处于极低温度或者电池包电量极低条件下,仍然可以通过控制燃油加热器来加热电池包循环水路中的冷却液,从而达到极低温环境下加热电池包的目的,因此搭载含燃油加热器的电池加热系统可以满足全气候纯电动汽车的驾驶需求,低温环境下也可以保证电池包处于合理的工作温度区间,提升电池活性,延长电池使用寿命。该电池加热系统的主要零部件规格参数见表1。

2试验结果与分析

 

2.1电池加热时间影响因素的试验与分析

低温环境下纯电动汽车电池加热时间的快慢会影响纯电动汽车的使用性能。电池加热时间慢会导致电池长时间处于低温条件,不利于电池内的电化学反应和电池的使用寿命,不能充分发挥电池的性能,也导致车辆充电时间的延长,影响充电体验,容易引起用户抱怨;电池加热时间快,则可以有效地提升纯电动汽车的动力性能和充电速率。而电池加热时间不仅受到电池加热系统架构固有属性的影响,还受到加热目标温度阈值、车辆行驶速度、电池入口水温目标阈值等因素的影响。为此,需要研究不同因素如何影响电池加热时间,为电池热管理策略优化提供数据参考。

2.1.1加热源对电池加热时间的影响分析

基于试验测试的纯电动汽车电池加热系统架构,分析高压加热器和燃油加热器对电池加热时间的影响,试验结果见表2,环境温度为7~9℃,电池加热目标阈值为15℃的工况,高压加热器的电池加热时间比燃油加热器缩短3min,即前者的电池加热时间比后者减少12%;环境温度为-9~-10℃,电池加热目标阈值为20℃的工况,高压加热器的电池加热时间比燃油加热器缩短18min,即前者的电池加热时间比后者减少17.6%。两个不同的加热源在基本相同的外部条件下,电池采用高压加热器比燃油加热器更快地被加热到目标温度阈值,这主要是由于高压加热器的正温度系数热敏电阻响应速度比燃油加热器燃油充分燃烧的响应速度要更快,在一定加热时间内,高压加热器可以比燃油加热器更迅速地提供足够的加热能量。

2.1.2加热目标温度阈值对电池加热时间的影响分析

试验测试了两个加热源在基本一致的外部条件下,加热目标温度阈值对电池加热时间的影响见表3。

从表中可知,随着加热目标温度阈值的增大,两个加热源的电池加热时间均随着增加。高压加热器为热源的情况,环境温度-9~-10℃,20℃加热目标温度阈值的电池加热时间比15、5℃的电池加热时间分别增加24.5、56min,15℃加热目标温度阈值的电池加热时间比5℃的电池加热时间增加31.5min。燃油加热器为热源的情况,20℃加热目标温度阈值的电池加热时间比15℃的电池加热时间增加15min。这主要是由于在电池入口水温不变的情况下,加热目标温度阈值越高,电池被加热至越接近目标温度阈值时,电池入口水温与电池温度之间的温差越小,热交换量也越小,导致随着加热目标温度阈值的提高,单位温升的电池加热时间增加量有逐渐增大的趋势。

2.1.3行驶速度对电池加热时间的影响分析

试验测试了高压加热器为加热源的情况下,行驶速度对电池加热时间的影响见表4。从表中可知,随着纯电动汽车平均行驶速度的提高,电池加热时间也逐渐减少。环境温度7~9℃,平均行驶速度为91km/h的电池加热时间比47km/h缩短8min,即前者比后者的电池加热时间快26.7%;环境温度3~5℃,平均行驶速度为85km/h的电池加热时间比52km/h缩短12min,即前者比后者的电池加热时间快24%。这主要是因为随着纯电动汽车平均行驶速度的增加,电池放电电流逐渐增大,电池发热量也相应增多,导致纯电动汽车更高平均行驶速度的电池加热热量相比更低平均行驶速度工况有更多的部分来自电池自发热量。

2.1.4电池入口水温目标阈值对电池加热时间的影响分析

车辆静态快充工况下试验测试了高压加热器为加热源的情况下,电池入口水温目标阈值对电池加热时间的影响见表5。

试验测试条件为两组测试工况均采用同一个充电桩,试验测试的车外温度约为-3℃,且电池快充MAP一致,充电起始SOC区间位于6.6%~7.3%之间。从表5中可得,电池入口水温目标值为45℃的电池加热时间比30℃的减少5min,即前者比后者缩短时间约10%。因为随着电池入口水温度目标值的增大,电池包换热板的冷却液温度与电池包模组底板的温差越大,增加热交换量,一定程度上可以提升电池包的电池加热速率,即缩短电池加热时间。

2.2电池加热耗电量影响因素的试验与分析

电池加热耗电量的多与少显著影响纯电动汽车的续航里程,从而影响冬季用户体验。由于试验测试的纯电动汽车电池加热系统架构含有燃油加热器和高压加热器,而燃油加热器为低压电源供电,耗电量基本可以忽略不计,因此电池加热耗电量试验测试仅针对高压加热器。

2.2.1起始电芯平均温度对电池加热耗电量的影响分析

试验分别测试了起始电芯平均温度为6、10、18℃条件下对电池加热耗电量的影响,如图2所示,此3个工况的试验测试条件是环境温度均为8~9℃,高压加热器加热电池的目标温度阈值均为20℃,平均行驶速度为49~52km/h。从图2中可知,起始电芯平均温度为10℃的耗电量比6℃的耗电量减少23.7%,起始电芯平均温度为18℃的耗电量比10℃的耗电量减少82.8%。随着起始电芯平均温度的增大,高压加热器耗电量逐渐减小,且起始电芯平均温度越接近加热目标温度阈值,单位温升的高压加热器耗电量降低幅度随着增加。

2.2.2加热目标温度阈值对电池加热耗电量的影响分析

试验分别测试了加热目标温度阈值为5、15、20℃条件下对电池加热耗电量的影响,如图3所示,该试验测试条件是环境温度均为-9~-10℃,起始电芯平均温度均为-9℃,平均行驶速度均为29km/h。从图3中可知,加热目标温度阈值为20℃的耗电量比15℃增加11.6%,加热目标温度阈值为15℃的耗电量比5℃增加106.4%。随着电池的加热目标温度阈值提高,电池加热耗电量随着增大。

2.2.3电池入口水温目标值对电池加热耗电量的影响分析

车辆静态快充工况下试验测试了高压加热器为加热源的情况下,电池入口水温目标值对电池加热耗电量的影响,如图4所示,从图中可得,在两组测试工况基本条件一致的情况下,电池入口水温目标值为45℃的电池加热耗电量比30℃的增加0.75kW·h,即前者比后者耗电量增加约44.6%。这主要是由于随着电池入口水温度目标值的增大,需要更大的高压加热器功率占空比才能维持较高的电池入口水温,虽然可以缩短电池加热时间,但一定程度上会增加电池加热耗电量。因此需要选择一个合适的电池加热目标温度阈值,在尽量保证电池性能的前提下,平衡电池加热时间和电池加热耗电量。


3结论

 

基于搭载含燃油加热器的纯电动汽车电池加热系统进行整车试验测试,研究分析了不同电池加热因素对电池加热时间和电池加热耗电量的影响,试验结果表明:

(1)在其他条件相同的情况下,高压加热器的电池加热时间小于燃油加热器,电池加热时间随着加热目标温度阈值提高而增加,随着车辆行驶速度增大而减小,随着电池入口水温目标阈值增加而缩短。

(2)在其他条件相同的情况下,电池加热耗电量随着起始电芯平均温度降低而变大,随着加热目标温度阈值降低而变小,随着电池入口水温目标阈值增大而增加。

(3)电池加热时间与电池加热耗电量存在相互影响,因此需要选择一个合适的平衡两者的电池加热目标温度阈值,以达到最佳的电池加热性能。

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