轻型纯电动商用车动力电池冷却性能分析

1概述

电池作为纯电动车的动力元件，直接影响到车辆的续驶里程、寿命和整车性能。对于纯电动车来说，动力电池的充放电可能随时进行。充放电是典型的电化学过程，其伴生的反应热很容易引起电池组内100℃以上的温差，如不及时散热，对充放电过程、电池的可靠性和寿命都有极大的负面影响，电池热效应问题也会影响到整车的性能和寿命。目前对动力电池冷却主要是:保证充放电时产生的热量及时散出;各模块间温度分布均匀。因此，本文以国内某轻型商用纯电动车用磷酸铁锂电池包为研究对象，对现有电池冷却方案进行了性能试验对比和数据分析，确定了电池包冷却的最终方案。

2动力电池冷却方案

动力电池的冷却主要有风冷、制冷剂冷却和水冷三种方式;与其他两种冷却技术相比，风冷方式技术更成熟，其研发、制造成本相对较低，周期短，目前被广泛采用，国内目前市场上的纯电动汽车也主要以风冷为主。风冷方式又分自然冷却和强制冷却。因此，某轻型商用纯电动车型动力电池也选择风冷方式，设计了强制冷却和自然冷却两种风冷方式。强制冷却是由鼓风机将乘员舱内被空调冷却的25～30℃空气抽进电池箱体，通过电池箱体内部强制对流带走电池散发的热量，最后排入环境中。自然冷却无单独冷却系统，仅依靠自然对流散热，该方式电池温度高，但成本低。

为满足车辆总重量大、续驶里程长的要求，该车型选用磷酸铁锂电池电容量达75kWh。因在现有成熟车型上进行动力总成改型设计，受车体空间影响，电池必须安放在地板下，且电池模块必须分别放置在前后两电池箱内才能满足安装要求。电池包冷却方案结构示意图如图1。

由图1所示，经过计算流体力学(CFD)分析后确定下来的强制冷却方式为:风道入口布置在车厢内第三排座椅下，通过冷却风道引入电池后箱，靠近后箱进口处电池通过引风板迫使气流下行，后箱再通过8个胶管与前箱相连，热空气由布置在发动机舱的鼓风机通过4个胶管从前箱抽出来，排入到大气中。自然冷却方式是取消电池冷却风道、鼓风机，后箱入口、前箱出气口封堵，电池箱内结构和强制冷却相同。

3电池冷却性能分析

3.1性能设计目标

动力电池的冷却性能的好坏，直接影响电池的效率，同时也会影响到电池寿命和使用安全。根据电池不同温度下循环寿命次数、和该车型动力电池质保要求，该车型磷酸铁锂电池冷却必须满足如下性能目标:

(1)各工况下，电池最高温度Tmax＜55℃;

(2)各工况下，电池单体之间的温差△T≤7℃。

3.2冷却性能考核工况和要求

3.2.1工况确定原则

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。在设计试验工况时，既需考虑电池充放电时的发热特性，即满足电池充放电状态下的工作状态，则应选择整车电能消耗最大的工况进行考核;且同时充分考虑该车型目标市场需求(国内城市物流车、通勤车、园区短驳车、公务用车)。根据上述原则，性能试验工况设计成由单一试验工况和顺序试验工况组成。试验条件要求环境温度38℃，湿度40－50%，光照1000W/K.m2，如路试，要求光照充足，平直路面，风速小于10km/h。

3.2.2单一试验工况

3.2.2.1充电:

以80A进行快速充电，荷电状态(SOC)从电量最小状态充到满电状态;充电需求时间2.5h。

3.2.2.2放电工况:

放电工况一般是车辆从满电状态按以下既定工况运行到最小荷电状态。路试时车辆尽可能以最短时间耗电最少状态行驶到指定路线按既定工况进行试验。

(1)爬坡工况:以50km/h在7.2%坡度路面行驶，路试时，通常用负荷拖车加载力模拟坡度进行;

(2)高速工况:根据车辆30min最高车速制定，确定100km/h匀速行驶;

(3)城市城郊工况:由城市、城郊工况组成。城市工况按(0～40km/h(5s)～停车怠速(5s)～启动～40km/h(5s)循环(加速和减速时间均为5s)，时间长55min;城郊工况，按(0～80km/h(10s)～保持恒速(6s)～减速到50km/h(5s)

～保持恒速(6s)～加速到80km/h(5s)～保持恒速(6s)～减速到50km/h(5s)循环，时间33min后，再减速到0(7s)。

3.2.3顺序试验工况，模拟车辆园区内白天连续不间断长时间内充放电使用情况。以白天早上9:00到晚上6:00为一个考核周期，用单一试验工况中的快充、爬坡、快充、城市城郊工况顺序组合成该考核工况。

3.3数据采集及数据分析

电池温度测试主要是针对电池各模组中电池极柱温度、电芯内部温度以及进出口风道温度。试验测试时电池温度通过电池管理系统(BMS)读取。

3.3.1爬坡工况下两种冷却方式对比

爬坡工况时电池放电倍率0.9C。图2、图3分别为自然冷却及强制风冷的电池极柱温度曲线。

由图2可知，自然冷却方式车辆以50kph，7.2%坡度带负荷拖车行驶，SOC从95%到32%，运行51min;卸载后以40～50kph行驶8min;爬坡中电池温升缓慢，温度最高点(49℃)出现在总负、总正处，电池各单体间最大温差6℃，满足设计指标要求。卸载后由于放电倍率下降为0.1C，最高点温度迅速下降到45℃，温降非常快。

由图3可知，强制风冷方式以50kph，7.2%坡度带负荷拖车行驶，SOC从93%到23%，运行60min;卸载后以40～50kph行驶17min;加载瞬间放电倍率由0.1C上升到1.3C，电池温度开始快速上升，很快就到达鼓风机开启温度45℃，鼓风机开启，电池箱内出现强制对流;受舱内冷气流影响，后箱进风口部分电池10min内温度下降5℃，出现最低点35℃;电池温度最高点47℃出现在前箱出风口附近，即前箱总负极柱;爬坡过程放电倍率(0.9C)不变，电池发热与强制风冷带走热量几乎达到平衡，电池温差几乎不变。因从后箱带走的热量累积在前箱，不能及时排出，前箱温度普遍比后箱高3～4℃。强制风冷电池最高温度满足性能要求，但温差12℃不满足性能要求。

3.3.2高速工况下冷却方式对比

高速工况时电池放电倍率0.4C。图4、图5分别为自然冷却及强制风冷的电池极柱温度曲线。由图4可知，自然冷却电池整体温升缓慢，因放电倍率小，放热量相对较小，且只有自然对流，电池最高温度45℃，电池单体间温差很小，只有4℃。从图5可以看出，强制冷却受场内冷空气影响，后箱开始也是温度下降到36℃;因受电池鼓风机温度策略影响，鼓风机没有开启，电池箱内靠前后箱空气温差的缓慢对流，受热空气影响，进口处电池温度又缓慢回升到39℃，电池间温度也没有明显变化，温差只有5℃，前箱温度也只比后箱高1～2℃.两种冷却方式在高速工况下都能满足性能设计要求。

 

3.3.3城市城郊工况下冷却方式对比

城市城郊工况时电池等效放电倍率约0.8C.图6、图7分别为自然冷却及强制风冷的电池极柱温度曲线。

车辆先以一般工况行驶到指定地点，再以城市城郊工况行驶，测试时SOC从88%到41%，城市工况行驶55min，城郊工况行驶33min;由图6可知，自然冷却方式下电池温升缓慢，电池温度由起初37℃上升到最后的43℃，温度最高点出现在后箱、前箱总正、总负极柱处，电池单体间温差6℃，满足性能要求。

由图7可知，车辆开始运行时鼓风机就开启，电池箱内空气强制对流，前箱的电池温度比后箱高5～6℃。电池最高温度45℃，出现在前箱总负极柱点，电池单体间温差14℃，电池均匀性差，不能满足性能要求。

3.3.4充电状态下冷却方式对比

车辆以两种冷却方式进行快速充电考察电池箱内电池温度变化。通过测试数据，两种冷却方式下电池的最高温度和温度对比如图8。自然冷却方式电池最高温度比强制冷却高2℃，温差比强制冷却低1℃。

3.3.5顺序工况下冷却方式对比

图9为两种冷却方式下的最高温度、温差。由图9可知，自然冷却满足电池的最高温度、温差性能要求;强制风冷下电池最高温度低于自然冷却4℃，但温差大、电池一致性差。

从上述对比结果来看，自然冷却满足设计目标，强制冷却不能满足设计目标，在兼顾考虑了车辆的安全、成本、开发周期等因素后，最终确定了自然冷却为电池冷却方案。在后续多次性能、耐久性试验测试中表明，该冷却方案完全满足性能要求，实现了设计目标。

4结束语

通过性能试验分析得出以下结论:

(1)单一试验工况自然冷却电池温升缓慢，前后两箱温升趋势一致，温差小，一致性好;

强制冷却方式风道进口处因受到舱内较冷空气流影响，温度最低点出现在进口侧，且前箱出风口不顺畅，后箱产生的热量带到前箱后不能及时排出，导致前箱比后箱温度普遍要高些，电池最高温度点在前箱的总正、总负极柱点;温差大，一致性差。

(2)顺序试验工况最高温度自然冷却比强制冷却高4℃，温差自然冷却比强制冷却低10℃左右。结果表明，采用电池自然冷却方式可以满足性能要求。

通过该性能试验对比和数据分析，确定了电池最终的冷却形式，为后续同类纯电动车型电池冷却设计提供了性能考核方法和相关参考依据。