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寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

   次浏览   上汽乘用车试验认证部   2021-05-06

引言


提高电芯温度的方向大致分为两种,主动加热与被动加热。主动加热即采用加热装置对低温电芯进行加热,主动将电芯温度提高到最佳工作区间内,目前特斯拉的ModelS与通用的Volt是有电池低温加热系统的,在0℃左右,车辆会牺牲一部分电能对电池进行加热。被动加热是在电池表面增加电池保温层,利用电池工作时自行发热提高电芯温度,这种方式相对简单,对电池电能无损耗,但速率会慢于主动加热。

目前,各车企对主动加热方式研究较多,但主动加热相对复杂,成本较高,实际应用到产品的并不多。在这种情况下,电池保温层逐渐走进了人们的视野。不同材料的保温层工作效果不一致,如果能够找到一种高效的保温材料,将会在一定程度上改善当前电动车低温行驶受限的问题,对电动车的进一步普及奠定基础。


1电池保温层介绍及试验设计


本文研究的电池保温层如图1所示,将发泡材料融化后均匀喷涂在电池表面,喷涂过程中,材料内部形成大量细微泡沫,凝固后具备缓冲、吸音、吸振、保温、过滤等功能。试验采用宁德时代NCM725kWh电池,以上汽乘用车冬季试验规范为载体。本文中将带保温层车辆视为试验车辆,将不带保温层车辆视为对标车辆,两车以相近状态执行高速、低速以及冷浸三个工况的试验。电芯温度以整车CAN网络记录数据为标准,涉及电芯最高温度与电芯最低温度两个变量,通过对比其上升或下降曲线变化率,评估保温层对电芯温度的影响。

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

2高速工况下的电芯温升试验


高速工况以上汽乘用车冬季试验规范中的高速规范为载体,车辆连续执行2h或电量不足时试验停止,要求试验过程中平均车速不低于70km/h。试验结束后截取整段试验数据,提取相关信息,数据记录仪记录周期为01s。如图2、图3所示,提取电芯最高温度,电芯最低温度,环境温度,电池冷却液温度以及车速,绘制试验车辆温升曲线。

在图2中,起始时刻试验车电芯最高温度T21maxS=–25℃,电芯最低温度T21minS=-25.5℃,整个试验时间t21=82.5min。试验结束时刻,电芯最高温度T21maxF=17.5℃,T21minF=11.5℃。整个过程中电芯最高温度增长ΔT21max=42.5℃,平均增长率δ21max=0.52℃/min,电芯最低温度增长ΔT21min=37℃,平均增长率δ21min=0.45℃/min。试验阶段,车辆平均速度v21=75.4km/h,满足试验要求。

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响
寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

在图3中,起始时刻对标车电芯最高温度T32maxS=-26.5℃,电芯最低温度T32minS=-28℃,整个试验时间t32=90.3min。试验结束时刻,电芯最高温度T32maxF=6℃,T32minF=0.5℃。整个过程中电芯最高温度增长ΔT32max=32.5℃,平均增长率δ32max=0.36℃/min,电芯最低温度增长ΔT32min=28.5℃,平均增长率δ32min=0.32℃/min。试验阶段,车辆平均速度v32=70km/h,亦满足试验要求。

可以发现,由于δ21max>δ32max,δ21min>δ32min,试验车辆在结束时刻,电芯温度状态明显好于对标车辆。就结果而言,保温层在高速工况下可以明显提高电芯温度。为了进一步验证保温层对电芯温度的影响,截取试验部分数据,如图4所示,用多项式进行拟合。

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

由于数采设备采样周期为0.1s,所以上式中x=1实际代表试验进行了0.1s,为了便于计算,将式(1)转化为以min为单位的时间变量t的公式,即将x=600t代入上式,可得:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响
寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

内,试验车辆电芯温度增长率一直高于对标车辆,而在84min后,车辆电量已处于较低水平,研究意义不大。综上所述,对于高速工况,此保温层对电芯温度提高有促进作用。


3低速工况的电芯温升试验


低速工况以上汽乘用车冬季试验规范中的城市规范为载体,车辆连续执行2h或电量不足时试验停止,要求试验过程中平均车速不高于40km/h。数据记录仪记录周期为0.1s。试验结束后截取试验数据绘制温升图,共执行两次,如图5,图6所示:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响
寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

从图5、图6中可以看到,低速工况下温度上升较为缓慢,依据上一章数据处理方法,对两个试验样本截取试验段数据,并用多项式拟合,如图7,图8所示:

图7中,各温度参数起始点相差较大,但趋势较为明显,用多项式拟合可得:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

将式(5)依次执行式(2)(坐标转换),式(3)(求导),式(4)(对应相减)操作可得:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响
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寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响
寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

由于试验车辆电芯温升率低于对标车辆,需要进一步讨论低速工况下,保温层是否对电芯温度提升有抑制作用。假设车辆行驶2h,即t=120min,对于式(5),执行式(2)变换后用y71max-y72max=Δy7max,y71min-y72min=Δy7min,可得:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

代入t=120min,得到:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

由式(10)可知,在拟合趋势下,车辆行驶120min后,两车电芯最高温度增加值之差为7.2℃,两车电芯最低温度增加值之差为1.55℃。

同理,对式(7)执行式(2)变换后用y81max-y82max=Δy8max,y81min-y82min=Δy8min,可得:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

代入t=120min,得到:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

为了进行对比,对高速工况拟合曲线式(2)进行对应相减操作,定义y41max-y42max=Δy4max,y41min-y42min=Δy4min,可得:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

代入t=120min,得到:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

综上所述,保温层在低速工况下对电芯温度提升作用较小。


4 冷浸工况的电芯温降试验


冷浸工况要求车辆静置在外界环境中,让电芯自然冷浸12h。由于车辆休眠后整车CAN网络无数据通信,试验车辆需要每05h上电1min,通过数采记录仪记录或软件读取当前电芯温度,最后绘制电芯温降曲线。此试验进行两次,得到两个样本数据,绘制温降试验样本一曲线,如图9所示。

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

在图9中,试验车电芯最高温度变化为ΔT91max=-7℃,电芯最低温度变化为ΔT91min=-3.5℃,对标车电芯最高温度变化为ΔT92max=-6℃,ΔT92min=-3℃,两者差距并不大,试验车电芯温度下降值甚至大于对标车辆,从结果上推断保温层对电芯温降影响较小。

由于样本一起始温度较低,温降曲线无法用二项式很好拟合,为了研究降温过程中保温层对电芯的影响,将用每一时刻的温度减去上一时刻的温度,得到单位时间内的温降差,如图10所示。从图10可以看出,对于试验车与对标车,单位时间内的温降值并没有明显区别,均在0~0.5℃之间变化,保温层作用不明显。

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

因此由样本一可推断,车辆在自然环境中冷浸,电池保温层不会阻碍电芯温度降低。

对于样本二,绘制其温降曲线,如图11所示:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

在图11中,试验车电芯最高温度变化为ΔT111max=-25℃,电芯最低温度变化为ΔT111min=-25℃,对标车电芯最高温度变化为ΔT112max=-20℃,ΔT112min=-20.5℃,试验车温降程度大于对标车,与样本一类似,保温层并未有效阻止电芯温度降低。样本二由于初始温度较高,曲线正常,用函数拟合得到图12,得到各参数拟合函数为:

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

与前几种工况不同,式(15)中x=1代表着试验进行了

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寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响
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从图13中可以看出,除起始部分外,两车辆单位时间内的温降值相差不大,在0~15℃之间,曲线未分层,两车辆温降趋势类似,保温层无明显保温作用。考虑到试验车电芯起始温度较高,与外界温差较大,所以电芯温度下降速率会快于对标车。

综上所述,车辆静止冷浸过程中,此电池保温层并不能有效阻止电芯温度降低。

寒冷环境下电池保温层对电芯温度的影响

5 结论


本文通过设计对比试验,验证寒冷环境下某种电池保温层对电芯温度的影响。将电芯温度数据绘制成温升温降曲线,用二项式拟合得到曲线拟合函数。通过对拟合函数的分析,可比较两对比车辆电芯温度变化趋势,从而评估保温层实际保温效果。

在三个工况中,只有高速工况下保温层可明显提升电芯温度,而在低速工况下作用不明显。在静置冷浸过程中,保温层无法有效阻止电芯温度下降,电芯温度下降速率遵循热力学定律,与外界温度差强相关。三个试验工况外部变量为车速,而车速对应的电池内部变量为电流,高速电芯电流大,低速或冷浸电流小。由此可以推断,电池保温层保温效果与电芯电流大小相关,电芯电流越大,保温效果越好,此结论将在后续试验中进一步验证。

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