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纯电动货车动力电池自然冷却性能分析

2021-08-23林瑞平

时代汽车 2021年16期
关键词:工况动力电池

林瑞平

摘 要:某款纯电动货车的动力电池冷却方案采用自然冷却的方式,基于整车典型的运行工况,通过热仿真分析、台架测试、整车路试等手段,对其自然冷却性能进行分析,最终确认其采用自然冷却的方式可以保证电池工作在正常使用温度范围内,电池单体最大温差满足技术要求,系统性能目标满足整车要求。

关键词:纯电动货车 动力电池 自然冷却 工况

Analysis of Natural Cooling Performance of Power Battery for Pure Electric Trucks

Lin Ruiping

Abstract:The power battery cooling scheme of a pure electric truck adopts natural cooling. Based on the typical operating conditions of the vehicle, its natural cooling performance is analyzed through thermal simulation analysis, bench test, and vehicle road test. Finally, it is confirmed that the use of natural cooling can ensure that the battery works within the normal operating temperature range, the maximum temperature difference of the battery cell meets the technical requirements, and the system performance target meets the requirements of the entire vehicle.

Key words:pure electric truck, power battery, natural cooling, working condition

1 引言

随着新能源汽车的日益普及,人们对新能源汽车续航里程不断提出更高的要求。但因为受到整车空间的限制,增大电池体积的方案可操作性不强,于是增大动力电池的能量密度成为业内提高新能源汽车续航里程一直在使用并且有效的解决方案。动力电池能量密度提高,伴随而来是电池发热量大、温度高的问题,这对电池的性能、寿命、安全性等方面都产生了不利的影响。

温度高低对于锂离子动力电池的整体性能,包括电池的容量、功率、充放电效率、安全性和寿命等都有着非常显著的影响。当温度超过一定范围,温度过高则会加快电池内部副反应的进行,这些副反应消耗锂离子、溶剂以及电解液等,导致电池性能衰减。因此,如果长时间地工作在高温环境下,动力电池的寿命就会明显缩短,其性能也会大大降低,甚至引发安全事故。另外,电池箱体内部温度场长时间的不均匀分布也会造成各电池模块、单体性能的不均衡,尤其是分布在高温区域的电池电化速率会明显快于低温部分,随着时间的积累不同电池之间的物性差异将越加明显,从而使得电池之间的一致性变差,甚至发生提前失效,缩短了整个动力电池系统的寿命[1]。

2 电池冷却方式初选

冷却系统是动力电池热管理系统中最重要的组成部分。根据冷却介质的不同,冷却系统通常可分为空气冷却、液体冷却和相变液冷三种冷却方式,这三种冷却方式的散热能力是依次增强的。同时,冷却系统的结构复杂度也依次增加。除了根据冷却介质区分冷却系统以外,冷却系统也常常分为主动冷却和被动冷却两种方式。通常被动冷却系统直接将电池内部的热空气排出车体,而主动冷却系统通常具有一个内循环系统,并且根据电池系统内部的温度进行主动调节,以达到最大散热能力[2]。

采用自然冷却方式是典型的以空气作为传热介质的被动散热方案,即利用空气的自然对流换热,将电芯的热量传递到周围空气中,从而在一定程度上降低电池单体的温度。由于空气的导热系数较低,且自然对流的流动较弱,因此自然冷却的散热效率一般比较低。此外,当电池系统周围不存在其他热源时,温差也可以控制在較小的范围内。自然冷却方式虽然冷却效率较低,但具有结构简单、零部件数量少、成本低、所占的空间较小等优点,是目前新能源物流车电池冷却系统应用较多的散热方式。

本车型是给某地区某物流运营企业开发的一款轻型纯电动货车,对整车成本的控制要求较高,同时,整车留给冷却系统的空间十分有限,结合目前同行业主流车型的冷却方案等因素考虑,初步选择采用自然冷却的方式。

3 电池冷却性能分析验证

3.1 系统性能目标

系统性能目标必须以满足整车性能目标为前提,如果电池冷却性能目标达不到要求,将直接影响到电池的充放电功率、效率、寿命和安全性,最直观的表现是整车性能体验效果差。该车采用磷酸铁锂电池,根据电池产品规格书和技术协议的要求,定义电池冷却性能目标需满足如下要求:

(1)各工况下,电池最高温度<60℃;

(2)各工况下,电池单体之间的最大温差≤8℃。

3.2 运行工况

无论是电池哪种冷却方式,都必须通过车辆相关的试验验证,这就涉及到评价准则、试验规范和要求。目前,国内尚无较成熟的纯电动车动力电池的整车冷却性能试验工况和方法[3]。因此,本车的设计工况来源于整车性能试验大纲和目标市场车辆的运营场景;同时考虑到电池在目标地区夏季高温条件下的使用。根据上述原则,运行工况定义见表1:

上述工况1到工况3属于整车常用的基本的放电工况,根据工况和整车参数可以理论计算出电池的放电功率,结合电池的放电功率表和放电温升数据,从而得出电池的最高温度和温差结果。这些工况一般不复杂,根据以往车型的项目经验来看,电池冷却性能目标基本可以满足。因此,本文重点分析验证工况4(物流车专用工况)的电池冷却性能。

3.3 热仿真分析

在定义好运行工况后,首先需要对电池进行热仿真分析,借助热仿真分析工具,可以对电池包冷却方案设计进行辅助设计和验证,缩短产品开发时间和节约开发成本。根据上述工况4,提炼出的热仿真工况如表2:

按照上述工况进行仿真,结果如图1、图2所示:经过10小时循环工况,电池最高温度约55℃<60℃,最大温差约8℃≤8℃,理论分析满足要求。

3.4 测试验证

上节热仿真分析的结果仅仅是提供了理论手段的支持,当电池包样品做出来后,还需要对电池包进行实物台架测试和整车路试验证,以进一步确认冷却方案的可行性。

3.4.1 台架测试验证

调整电池包SOC到100%,静置单体电池温度与目标环境温度差值不超过2℃,然后利用充放电设备输入工况对电池包進行充放电测试,电池温度通过BMS电池管理系统读取。测试结果如图3所示:工况完成时,电池的最高温度49℃<60℃,最大温差3℃<8℃,满足要求。

3.4.2 整车路试验证

当电池包台架测试完成后,将其搭载到整车上进行5000公里的周边道路测试。首先,根据工况要求制定相应的试验大纲(包含路线制定,车辆配载,数据采集记录等);其次,尽可能地模拟物流车的实际运营场景。经过多天持续路试后,电池温度达到平衡后的路试结果如图4所示:电池的最高温度52℃<60℃,最大温差4℃<8℃,满足要求。

以上测试结果表明,该电池系统采用自然冷却的方式进行散热,在整车典型工况下运行,电池的最高温度和温差满足设计要求。

4 结束语

在综合考虑车辆的安全性、复杂度、成本、开发周期等因素后,初步选择车辆动力电池的冷却方案采用自然冷却的方式。该自然冷却方案在随后的热仿真分析和测试验证中实现了设计目标,并在后续整车三万公里综合耐久试验和客户实际用车测试中得到进一步验证,其结果完全满足性能要求,也为后续同类纯电动货车动力电池冷却设计提供了参考依据。

参考文献:

[1]王芳,夏军等著.电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M].北京:科学出版社,2017:84-85.

[2]徐善红,马露杰,曾祥兵.汽车动力电池热管理系统分析与设计[J].科技视界,2013,26:360-361.

[3]黄文雪,杜雪伟,李文.轻型纯电动商用车动力电池冷却性能分析[J].内燃机与配件,2015,11:32-35.

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