48 V混動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)

黃武榮，李彬，葛俊良，黃祖朋，邵杰，沈陽

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著全球各個國家越來越嚴苛的油耗指標的發(fā)布，迫于難以突破的汽油機技術(shù)以及純電動汽車高成本的事實，48 V混合動力系統(tǒng)的低成本以及高節(jié)油性能得到各個整車廠及系統(tǒng)供應商的認同。48 V動力蓄電池總成作為48 V系統(tǒng)中提供啟停、驅(qū)動功能、能量回收的能源存儲裝置，其發(fā)展障礙是使用可靠性受溫度影響很大，高溫環(huán)境會限制電池電流及功率的輸出，直接影響48 V系統(tǒng)的正常使用。在高功率電池技術(shù)很難獲得突破性進展的前提下，如何最大限度地發(fā)揮電池的使用性能，減小使用過程中溫度所造成的影響顯得尤為重要。

1 電池熱管理系統(tǒng)設計

電池熱管理系統(tǒng)根據(jù)提供的能量來源不同可分為被動式和主動式兩種冷卻方式，其中被動式冷卻是只利用汽車行駛環(huán)境的方式進行電池冷卻；主動式冷卻則是利用組裝在電池系統(tǒng)內(nèi)部或外部的風扇、蒸發(fā)器、冷凝器、液冷管等強制將電池內(nèi)部的熱量帶走的方式對電池進行冷卻。目前使用較多的幾種主動式冷卻方式有風冷冷卻、水冷冷卻、空調(diào)制冷、熱電制冷等，幾種主動式冷卻方式的比較如表1所示。

根據(jù)表1的分析及對比，對某公司48 V混合動力汽車的動力蓄電池總成進行研究，決定對電池的熱管理系統(tǒng)采用主動式風冷冷卻方式。圖1所示為主動式風冷冷卻系統(tǒng)的設計原理，風扇將外部空氣引入電池內(nèi)部加快電池內(nèi)熱量的散發(fā)，風扇的運行(開啟、關(guān)閉及調(diào)速)由電池管理系統(tǒng)控制。

表1 幾種主動式冷卻方式的比較

圖1 風冷冷卻系統(tǒng)設計原理

風冷冷卻的結(jié)構(gòu)如圖2所示，是在電池的側(cè)邊安裝一個離心式風扇(離心式風扇的基本參數(shù)如表2所示)，在電池的下殼體底面布置風道(散熱片及散熱槽)，風道入口的氣體為外部空氣，風道出口在電池的兩側(cè)，通過將外部空氣引入電池內(nèi)部，強制將電池內(nèi)部熱量帶走，通過電池管理系統(tǒng)的控制將電池控制在工作溫度范圍內(nèi)。此冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。

圖2 風冷冷卻結(jié)構(gòu)的電池箱體

表2 離心式風扇基本參數(shù)

2 電池熱管理控制策略

為保證48 V混合動力汽車48 V系統(tǒng)的正常運行，48 V動力蓄電池總成的工作溫度為-30～60 ℃，電池溫度過高會限制電池電流及功率的輸出，影響車輛48 V系統(tǒng)的正常運行，所以電池熱管理的主要作用在于快速降低電池溫度，保證電池溫度維持在可工作溫度范圍內(nèi)。電池冷卻風扇的運行通過電池管理系統(tǒng)進行控制，其控制策略如圖3所示。

圖3 冷卻風扇的控制策略

當電池工作過程中溫度達到37 ℃時，觸發(fā)風扇的開啟條件，控制系統(tǒng)控制風扇開始工作。當電池工作過程中溫度回到34 ℃時，觸發(fā)風扇的開啟條件，控制系統(tǒng)控制風扇停止工作。同時風扇轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的噪聲會直接影響NVH性能，車輛40 km/h以下的噪聲最為明顯，所以車輛低速時需要控制風扇的運行轉(zhuǎn)速。風扇的控制條件應該同時滿足表3中的條件1及條件2。

表3 冷卻風扇的控制條件

3 基于NEDC循環(huán)工況的熱管理效果分析

電池熱管理的效果以持續(xù)運行NEDC循環(huán)工況時的電池溫升作為指標。對裝有此48 V動力蓄電池總成的48 V混合動力汽車進行NEDC循環(huán)測試，測試48 V動力蓄電池總成工作電流如圖4所示。

以初始環(huán)境溫度分別為25、35、45 ℃，用圖4中的電池電流作為電池每個NEDC循環(huán)的工作電流，對電池做連續(xù)10個NEDC循環(huán)的試驗后，電池的溫升曲線如圖5所示。不難看出：各個不同環(huán)境溫度下電池運行10個NEDC循環(huán)均達到了溫度平衡，電池溫升在13 ℃以內(nèi)，且在電池的工作溫度范圍內(nèi)，有效保證了48 V系統(tǒng)的正常運行。

圖4 48 V混合動力汽車NEDC循環(huán)電池電流

圖5 電池不同條件的溫升曲線

4 結(jié)語

對于48 V混合動力汽車使用的48 V動力蓄電池總成，采用主動式風冷的熱管理技術(shù)可有效控制電池工作狀態(tài)時的溫升，電池溫升可控制在13 ℃以內(nèi)，保證電池的溫度在工作溫度范圍內(nèi)，保證了48 V混合動力汽車48 V系統(tǒng)的正常運行。