基于磷酸铁锂动力电池热管理系统的开发

何绍清 雷南林 沈帅 宋冰

摘 要：针对电动汽车动力电池高温循环寿命短、低温充放电容量低等问题，开发了一种动力电池热管理系统，该系统可实现高温散热、低温保温加热，以减少温度对电池特性的影响。本文通过分析磷酸铁锂动力电池容量、寿命及生热特性，分析了动力电池包整体尺寸及包内布置方案。本文采用自然散热方式，并通过分析动力电池生热特性，制定了合理的控制动力电池生热的策略。最后试验结果验证了该热管理系统适用于磷酸铁锂动力电池。

关键词：动力电池;热管理;电池特性

1 引言

电动汽车表现出的续航里程短、循环寿命低等难题一直是制约电动汽车高速增长的主要因素，这些因素对环境温度比较敏感，动力电池在高温工作时，循环寿命缩短，安全性能下降;低温工作时，充放电容量衰减严重，且多次低温循环对安全性也有一定影响[1]。而且动力电池的温度特性在短期内很难取得突破性进展，这是由动力电池本身化学特性决定[2]。为降低动力电池化学特性短板对整车的影响，需通过热管理手段改善动力电池工作环境，减少外部环境对动力电池工作环境的影响，从而降低对整车的负面影响。同时由于大部分纯电动轿车动力电池包布置空间小，设计动力电池热管理系统时应兼顾动力电池特性与纯电动轿车的动力电池包布置空间。

2 锂离子动力电池热管理方案

该热管理系统在低温工作时，对磷酸铁锂动力电池进行加热保温;高温工作时，进行散热。然而，增加热管理装置受限于车辆的布置空间，同时从磷酸铁锂动力电池温度特性知，该类型动力电池易受低温影响，放电生热相对较少，且具有优异的高温热稳定性。因此，本文采用低温加热保温，高温自然散热方式进行热管理。

动力电池包低温加热采用加热片装置。对于加热片位置，可布置于动力电池间、动力电池上表面和下表面、上包盖和下包体内侧。若动力电池间布置加热装置，加热片的固定较为困难，且增加动力电池包体积和成本。动力电池包底部和顶部具有一定的空间，但由于动力电池表面存在模组框，加热片无法布置于动力电池表面，所以加热片应布置在上包盖或下包体。若上包盖放置加热片，在进行开包操作时存在一定困难，所以加热片较为理想的布置位置为动力电池包下包体。对于加热片功率分布，因后箱动力电池（48个）放置方式、高度、重量等与前箱（60个）不同，所以需考虑前后箱加热板功率分布。

加热片工作时，由于包壁为金属结构，导热率较大，热量会从包壁损失，应采取必要的保温措施，但从散热角度分析，当动力电池在夏季工作时，保温材料的厚度同样影响热量散失，所以散热与保温之间存在矛盾。由于本文研究的车辆使用区域夏季高温温度较低且高温天数较少，经分析对动力电池寿命影响较小，所以动力电池包仅采用保温设计。对于保温材料的厚度，由于动力电池包布置空间的限制，保温材料厚度为3mm。

3 磷酸铁锂动力电池建模仿真

3.1 动力电池包散热仿真

为研究动力电池在绝热条件以及自然散热条件下温度场变化情况，对动力电池在1C放电情况下的温度场进行仿真，（a）为绝热条件下动力电池1C放電的温度云图，（b）为自然散热条件下动力电池1C放电的温度云图。自然散热条件下动力电池最高温度为34.1℃，相比绝热条件下的动力电池温度并无明显变化。由此可知，动力电池在绝热条件下的温度变化可近似代表动力电池包内最高温度变化。

3.2 动力电池包加热仿真

动力电池加热片功率较小时，动力电池加热时间较长。加热片功率较大时，若加热片控制失效，则会引起安全问题[4]。鉴于这两方面因素，加热片阻值确定为120Ω，加热功率1KW。当控制失效时，温度值低于动力电池热稳定温度，不会引起安全问题，且动力电池加热时间较短。加热片功率大小按照前后动力电池导热功率进行分布。之后仿真得动力电池加热条件下温度云图，前后端温度平均值近似相等，加热板功率分布较为合理。

3.3 动力电池包保温仿真

为研究保温材料对动力电池加热效果的影响，对动力电池包有保温（3mm厚的保温棉）和无保温两种结构进行仿真。初始温度为-10℃且加热片功率相同的动力电池包稳态温度分布云图。保温结构对加热效果影响较大，在有保温条件下，动力电池温度明显增加。若电动车空间允许的情况下，可适量增加保温材料厚度，减少加热过程中的热量损失（动力电池包内最高点温升变化近似为动力电池在绝热条件下的温升变化，不必考虑散热问题）。

4 试验验证分析

为研究动力电池实际放电升温以及加热升温情况，将动力电池包在绝热环境下进行放电以及加热升温试验，结果如图1（a）、（b）所示，通过试验结果可知，在绝热环境下，动力电池包仿真放电温升以及加热温升与试验温升具有较高的吻合度，说明动力电池包仿真模型较为准确，并说明所选的动力电池的热管理方案是能够保证动力电池的工作温度区间在合理的范围内，确保了动力电池的循环寿命以及低温充电量。

5 总结

本文利用磷酸铁锂动力电池容量易受低温影响，高温对动力电池循环寿命衰减影响较少的特点，结合整车布置空间，确定磷酸铁锂动力电池采用低温加热保温，高温自然散热的热管理方案，并为此展开仿真试验，验证了方案的准确性。

1）基于动力电池产热机理，通过试验的方法求得动力电池热物性参数，从而建立动力电池生热模型;

2）对于散热系统设计，因受限于动力电池布置空间，同时考虑到高温对动力电池循环寿命衰减影响较少的特点，本文采用自然散热方式;

3）并通过分析动力电池生热特性结合动力电池布置，分析加热装置功率分布对加热温度场的影响，确定加热装置的分布功率，缩短加热时间，从而提高加热效率;

4）分析得出具有保温结构的动力电池包自然散热能力较弱，然而其对加热影响较大，在空间允许的情况下，可适量增加其厚度，减少热损耗。

参考文献：

[1]王青松，孙金华，陈思凝等.锂离子动力电池热安全性的研究进展[J].动力电池，35（3）：240-241.

[2]沈帅.纯电动汽车电池箱热特性研究及热管理系统开发[D].吉林大学，2013.

[3]岳仁超.动力电池管理系统的研究[D].北京：北京交通大学大学电气工程学院，2010.

[4]动力电池成组高效冷暖装置研制与流变热控性实验研究[D].谷燕龙.吉林大学 2015.