车载大功率动力电池散热特性研究.pdf

理论研究30与车辆2023年第2 期移动电源车载大功率动力电池散热特性研究许宝立，陈世业1，沈坚，何刚，夏欢，王辉1（1.北京航天发射技术研究所，北京，10 0 0 7 6；2.中国航天万源国际（集团）有限公司，北京，10 0 7 6）摘要：针对车载大功率动力电池组的使用特点，以某型磷酸铁锂型动力电池为研究对象，进行了1C至5C、特殊设定工况下的倍率充放电试验，对车载大功率动力电池的散热特性开展分析研究，找出了不同倍率充放电条件下的温升变化规律，为车载大功率动力电池在复杂工况下的使用，高温安全预警、报警，提供重要设计参考。关键词：车载；大功率；动力电池；温度Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.02.008中图分类号：TM911文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 50（2 0 2 3）0 2-0 0 30-0 41引言随着电机控制及电池管理技术的不断进步，动力电池、电驱动技术已在车辆领域获得了越来越多的应用，不仅在家用乘用车领域，在矿卡、装载车、医疗救护、野外保障、无人运输等特种车领域，也都在进行车辆电驱化。以动力电池作为动力源，电机驱动形式的车辆，具有环境污染小、噪音低、能源利用率高、结构简单、易维修等特点，得到人们的青睐 。动力电池作为电驱车辆的重要动力源，在电驱车辆行驶过程中为其提供动力，在车辆制动时，可以收制动过程中由机械能转化而来的电能，它直接决定了车辆的使用性能、可靠性和安全性 2 3，对使用成本也有直接影响。当车辆在不同工况行驶时，由于动力电池的自身放电反应和内阻影响，电池的温度会逐渐升高，超出正常范围后，其内部的控制逻辑会发出报警，严重保护时继电器会切断，影响整车正常行驶。当局部温度超过某一界限时，就会导致锂离子电池发生不可逆转的损伤，例如电池储电性能和循环使用寿命的降低。当热量继续累积，可能导致起火爆炸现象发生。相反，当动力电池组长时间工作在低温条件下时，电池寿命会明显缩短，降低整车使用性价比，在极端低温下车辆甚至无法启动 4。因此，对车载动力电池的散热特性研究具有重要意义。本文以某型车载大功率磷酸铁锂型动力电池为对象，对其不同倍率充放电条件下的散热特性进行研究，找出不同倍率、工况下的散热特征及规律，为车载大功率动力电池的选型设计提供参考 5。2动力电池的组成及控制策略2.1主要组成部分及原理动力电池主要由磷酸铁锂型电池单体、电池箱壳体、BMS主控盒、散热风扇、接插件、温度传感器、电流传感器、手动保险等组成。动力电池主要功能参数见表1。表1动力电池主要参数号项目参数1额定电压633.6V2额定容量40Ah3电压范围384V691.2V4成组方式2P192S5标称电压633.6V常温7 2 kW放电、常温峰值16 8 kW（10 s）、6放电性能低温30 kW放电、高温持续10 0 kW（10 mi n）及30 kW（30 mi n）31移动电源与车辆2023年第2 期表2动力电池主要参数（续）号项目参数常温持续7 2 kW充电、144kW脉冲充电7充电性能(10s)8使用温度-30 50 内部装有电池管理系统（BMS），对外9电池管理进行双路CAN通信以及充电控制。BMS由外部2 4V供电。动力电池分为上下两个箱体部分组成，中间通过螺栓固定连接，结构形式见图1。图1动力电池箱结构图2.2散热控制及报警策略为满足动力电池的高温使用需求，动力电池设计强制风冷散热，通过散热风扇、散热风道对电池箱内的电芯进行散热，降低电芯模组的工作温度如图2 所示。模组模组模组风冷通道风冷通道模组模组模组模组模组模组图2动力电池散热风冷通道示意图动力电池散热采用分段式控制策略，当电池工作温度不高于35时，不进行风冷散热，靠动力电池自冷却散热；当电池工作温度高于35时，启动风冷散热。当温度高于52 C时。进行三级报警，提醒操作人员注意；当温度高于56 时，进行二级报警，动力电池开始降功率行驶；当温度高于6 0 C时，进行一级报警，动力电池停止输出。3不同倍率下的充放电试验3.1常温1C倍率持续充放电常温1C倍率持续放电，主要对应车辆常温低速长时间持续运行工况，试验持续约110 min，电池单体最低温度从30 上升至35，最高温度由32上升至37，在充放电过程中电池箱最大温差保持在2 以内，温升曲线参见图3。6010010020(a)常温1C倍率持续充放电(b）常温1C倍率持续充放电最高温度变化曲线最低温度变化曲线图3常温环境1C倍率持续充放电温度变化曲线3.2常温3C倍率持续充放电常温3C倍率持续放电，主要对应车辆常温高速长时间持续运行工况，试验持续约110 min，电池单体最低温度从36 上升至52，最高温度由37上升至56，在充放电过程中电池箱最大温差保持在4以内，温升曲线参见图4。H4801004100时间n时间in(a)常温3C倍率持续充放(b）常温3C倍率持续充放电温电总电压变化曲线度变化曲线图4营常温环境3C倍率持续充放电温度变化曲线3.3常温5C倍率持续充放电常温5C倍率持续放电，主要对应车辆常温瞬时加速持续运行工况，试验持续约11.5min，放电过程中电池单体最低温度从31上升至44，最高温度由32 上升至50，在放电过程中电池箱最大温差保持在6 以内，温升曲线参见图5。322023年第2 期与车辆移动电源1o1时属时间i(a）常温5C倍率持续充放电(b）常温5C倍率持续充放电总电压变化曲线温度变化曲线图5常温5C倍率持续充放电温度变化曲线3.450高温倍率持续充放电50C高温下，1C、2 C、3C 倍率充放电，主要对应车辆高温时工作状态，试验过程中触发高温保护为试验截止条件，其中1C倍率持续充放电试验最大温差在初始状态时为4，试验结束时为6，达到最高温度时间为10 0 min以上；2 C倍率持续充放电试验最大温差初始状态时为5，试验结束时为6，达到最高温度时间为35min左右；3C倍率持续充放电试验最大温差在初始状态时为4，试验结束时为6 C，达到最高温度时间为2 5min左右，对比来看，当动力电池充放电倍率增大后，温升速率明显提高，达到最高温度的时间也成倍缩短。试验温升曲线见图6。2/6010150103时间#(a）50 环境持续1C充放电(b）50 环境持续1C充放电电池最高温度变化曲线电池最低温度变化曲线(a)50环境持续2 C充放电(b）50 环境持续2 C充放电电池最高温度变化曲线电池最低温度变化曲线2封：(a）50 环境持续3C充放电(b)50环境持续3C充放电电池最高温度变化曲线电池最低温度变化曲线图6高温环境倍率充放电温度变化曲线3.5低温-40 1C倍率持续放电将动力电池箱放置低温环境中，待最低温度达到-40 C时，按照1C倍率放电至截止电压，放电过程中电池单体最低温度从-40 上升至-32，最高温度由-30 上升至-2 0 C，在放电过程中电池箱最大温差为12。，温升曲线参见图7。2时间in(a)-40环境持续1C放电电(b）-40 环境持续1C放电电池最高温度变化曲线池最低温度变化曲线图7低温-40 1C倍率持续充放电温度变化曲线3.6复杂工况持续充放电参考电驱车辆急加速急减速运行条件，模拟动力电池充放电参数，制定较实际使用充放电电流或功率参数更为严苛的工况1、工况2，条件如图8所示，对动力电池箱常温复杂工况下的温度变化规律进行研究。静置125A放电250A充电电池包充满，静置开始100kW放电10s10min10min，记录环境144kW充电30s10min温度30s168kW放电30s到单体125A充电290A放电30kW充电30kW充电截止30s72kW放电10min30min30min工况1工况2图：持续充放电工况要求按工况1，常温条件下试验过程中电池最低温度从2 7 升高至53，最高温度从2 8 升高至65，最大温差为12，试验过程温度变化曲线如图9 所示。随着充放电工况的变化，可以看出当进行大功率充放电时，电池温度会出现明显上升，当最高温度达到6 5C时趋于稳定。2/16006050(a）工况1最高温度变化曲线(b）工况1最低温度变化曲线图9工况1持续充放电温度变化曲线按工况2，常温条件下试验过程中电池最低温度从2 4升高至53，最高温度从2 6 升高至65，最大温差为12 C，试验过程温度变化曲线（下转第2 3页）33与车辆移动电源2023年第2 期如图10 所示。相交工况1充放电温度变化，工况2短时大功率充放电，可以看出随工况2 大倍率充放电过程，温度呈台阶状抬升明显。620100(a）工况2 最高温度变化曲线(b）工况2 最低温度变化曲线图10工况2 持续充放电温度变化曲线4试验结果及分析4.1常温不同倍率充放电温升比较常温下，动力电池1C倍率放电每小时温升3C/h左右，温升均匀平缓，最高温和最低温相差较小，为2；3C倍率持续放电每小时温升8/h左右，最大温差在4；5C倍率持续放电11.5min，温升18，温升速率较快，最大温差6。由此可以看出，磷酸铁锂型动力电池在车载使用过程中，随着倍率的增加，温升速率成倍数增加，且温差快速加大。所以，在车载大功率动力电池使用过程中，根据车辆实际功率需求，需合理设计长时间持续用电、瞬时大功率用电工况的时间分配，根据车辆的行驶时间，合理设计并控制动力电池的温升，降低出现过温报警的概率。4.2高温不同倍率充放电温升比较高温下，动力电池1C倍率充放电到达一级报警时间为3h，2 C 倍率充放电到达一级报警时间为0.83h，3C 倍率充放电达到一级报警时间为0.5h，其最大最小温度差均为6。由此可以看出，高温下动力电池充放电倍率的提高，对其温升速率仍具有直接影响。4.3低温倍率放电温升分析从试验结果看，低温-40 下，动力电池按照1C放电8 min达到了单体放电截止电压，最低温度由-40 上升至-32，最高温度由-30 上升至-20，温升最大为10，最大温差为12，在同样倍率下，低温下的温升更快，温差拉大也更为明显。4.4复杂工况下的散热特性分析从试验结果看，车载动力电池在风冷散热形式下，随着充放电过程的进行，具有较强的耦合关系，在进行瞬时大倍率充放电时，动力电池温升加快，温度变化具有明显的台阶递增；在相对减小的倍率充放电时，由于存在温度惯性，温升会逐步增加。由此可见，在车辆瞬态急加速、急减速过程中，动力电池5C以上大倍率充放电时，并不会瞬间导致温度突变，还是需要持续一定时间，才会引起动力电池温度的升高。5结语车载动力电池的散热特性，设计合理与否直接影响车辆的使用性能。本文结合某型磷酸铁锂动力电池放电试验，对车载大倍率动力电池散热特性、温升变化进行分析研究，给出了不同温度、不同工况、不同倍率下的变化规律，通过试验对温升时间、温差数据进行量化，可以为车载大倍率动力电池的设计使用提供借鉴参考，在开发阶段验证分析其能否满足复杂工况、宽温度范围内的使用需求，有效指导车载动力电池组的开发与设计。参考文献：1 李恺翔电动汽车动力电池热特性及热管理方式研究 D.天津大学，2 0 19.2武雅丽电动汽车风冷动力电池组的热特性研究D.西南交通大学，2 0 2 0.3李丹，徐存英，张明电动汽车电池高温性能提升与应用研究J电动自行车，2 0 14（5），38-40.4何倩，孙仁云，邓美俊，潘湘芸电动汽车动力电池热管理技术分析J.汽车零部件，2 0 2 1（5），1-7.5韩友国，杨玉梅。一种动力电池组高温高速工况台架测试方案J.新能源汽车，2 0 19（3），7 0-7 3.作者简介：许宝立（19 8 5-），男，河北人，高级工程师，目前在北京航天发射技术研究所从事特种电源及电池系统设计工作。（上接第33页）与车辆23移动电源2023年第2 期电源启动控制，交直流用电设备的配电、电压电流采样以及保护功能；配电面板实现电源启动控制、使能控制、急停控制以及设备的远程控制功能；实现了智能配电设备的通用化、系列化、组合化。参考文献：1陈国辉，王博，肖祯勇智能配电箱的设计与应用J现代建筑电气，2 0 15（11）：56-58.2 张东霞，姚良忠，马文媛中外智能电网发展战略J中国电机工程学报，2 0 13，33（31)：2-14.3张亚楠，陆一歌，殷业瑜，等一种网络化的家用智能化配电箱设计 J.现代计算机，2 0 16（1）：49-53.4孙巧玲，官清，李燕配电箱变智能采集终端的设计及实践J电子测试，2 0 17（6)：2 2-2 3.5王立娜，王曜飞，宋维忧移动式箱变的研究及应用 J科技创新与应用2 0 15（11.6李维阔.基于NanoPi的智能配电箱设计D.山东科技大学2 0 2 0.作者简介：李绍民（19 9 7-），男，四川巴中人，硕士，初级工程师，主要研究方向为系统总体结构。Design of Intelver Distribution EquipmentLI Shao-min,ZOU Jia-zhuang,LAIHou-chuan,HE Nian-liu,ZHOU Xin-yi,WANG Shuai-jun,LEIHan(Southwest Institute of Technical Physics,Chengdu610041,China)Abstract:In order to satisfy the power distribution control and management of each device in the system,an intelligent powerdistribution equipment is designed,which plans the power startup,power distribution,device status display and control functions intopower distribution control unit,power distribution executive unit and power distribution panel.The intelligent power distributionequipment uses a comprehensive intelligent control system to realize the functions of time-sharing/shunt controlled output,DCoutput overvoltage/overcurrent protection and AC input overvoltage/undervoltage/output overcurrent protection.It adoptsmulti-channel grid-connected control,communicates with the charge subsystem through Ethernet,can report the equipment statusand fault information in real time,and has the data storage function,can realize the data analysis through the upper computer.Keyword:Intelligence,Distribution equipment,Distribution control unit,Distribution executive unit,Distribution panelStudy on Thermal Characteristics Of High-Power Power Battery UsedOn VehicleXU Bao-li,CHENG Shi-ye,SHEN Jian,HE Gang,XIA Huan,WANG Huil(1.Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing100076,China;2.China Aerospace Wanyuan International Group Co.Ltd,Beijing100076,China)Abstract:For the use characteristics of vehicle high-power power battery,taking a certain type of lithium iron phosphate powerbattery as the research object,the rate charge and discharge tests under 1C to 5C and special setting conditions were carriedout.Study on thermal characteristics of high-power power battery used on vehicle,the law of temperature rise under different chargeand discharge rates is found out.For the use of vehicle mounted high-power power battery under complex working conditions,hightemperature safety warning,alarm,provide important design reference for designers.Keyword:vehicle,high power,power battery,temperature