低溫環(huán)境下純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾矸椒?/h1>
2023-03-27 07:09:56李冠中李琛研
汽車實(shí)用技術(shù) 2023年6期
李冠中，李琛研
（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）
低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車電池工作效率急劇下降是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的主要障礙之一。本文采用了基于蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）加熱系統(tǒng)預(yù)熱，PTC+驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱加熱模式的熱管理方法。
電池組的加熱方式為外部加熱，對(duì)電池的損耗較小，加熱更為安全[1]。文獻(xiàn)[2]選取電池底部電加熱膜加熱的方式，發(fā)熱元件采用了鐵鉻鋁合金的發(fā)熱絲，而在本文中采用了更加安全的 PTC加熱器，取消了硅膠板的鋪設(shè)。文獻(xiàn)[3]分析了預(yù)加熱對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池性能的影響。文獻(xiàn)[4-5]提出了PTC加熱系統(tǒng)與利用電機(jī)余熱加熱電池的優(yōu)勢(shì)，但未考慮到PTC加熱器加熱與電機(jī)余溫加熱有各自高效作用的溫度區(qū)間，二者在合理的邏輯控制下結(jié)合使用可以使加熱效率提高、對(duì)電池的損耗降低。在電池模組之間鋪設(shè)通有水道的冷卻板[6]，通過四通閥連接電機(jī)冷卻液循環(huán)回路，以達(dá)到循環(huán)利用電機(jī)高溫冷卻液加熱或保溫電池的目的。此外，在冷卻板與電池之間添加傳感器元件，建立智能反饋系統(tǒng)，防止過度加熱造成能源浪費(fèi)甚至電池?zé)崾Э亍?/p>
為有效改善現(xiàn)有純電動(dòng)汽車能源來源單一而導(dǎo)致用于加熱的電能不足，或因用于對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱而導(dǎo)致車輛的續(xù)航里程減少等問題，研究采用蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供能量[7]。相比較之下，蓄電池往往具有較高的比能量而比功率較低，超級(jí)電容比能量較低而比功率卻是電池的10倍以上，該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以使二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。文獻(xiàn)[8]中對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究是基于常溫情況下進(jìn)行的，而本文在-10 ℃的低溫條件下進(jìn)行仿真分析。蓄電池與超級(jí)電容通過雙向功率變換器并聯(lián)，雙向功率變換器采用Buck-Boost復(fù)合電路結(jié)構(gòu)[9]。
1 蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
蓄電池與超級(jí)電容通過雙向功率變換器并聯(lián)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
雙向功率變換器采用Buck-Boost復(fù)合電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在Boost工作模式下，電池組端電壓為U1，總線電壓為Un，U1通過升壓電感L、開關(guān)管VT2的升壓變換經(jīng)VD1接到總線電壓，和超級(jí)電容實(shí)行功率混合。在Buck工作模式下，總線電壓Uh通過開關(guān)管VT1的斬波降壓，經(jīng)電感L、電容C2的濾波作用輸出電壓U1對(duì)電池組進(jìn)行充電，二極管 VD2在降壓過程中實(shí)現(xiàn)輸出電流的續(xù)流作用。
圖2 Buck-Boost復(fù)合電路結(jié)構(gòu)圖
1.2 仿真分析
通過 Simulink搭建超級(jí)電容和蓄電池復(fù)合作用的能量管理系統(tǒng)并在-10 ℃的低溫條件下運(yùn)行仿真。
如圖3所示，低溫情況下超級(jí)電容的電壓基本穩(wěn)定在32 V左右，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容穩(wěn)壓的功能。
圖3 超級(jí)電容的電壓變化
如圖4所示，低溫情況下，該系統(tǒng)對(duì)荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）的影響較小，符合蓄電池在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境中單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)下的SOC變化。
圖4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC變化
如圖5所示，超級(jí)電容的充放電波動(dòng)的頻率和幅度較大，是超級(jí)電容不斷補(bǔ)償高頻功率的結(jié)果。負(fù)載脈沖時(shí)超級(jí)電容分擔(dān)了大部分的電流，以減小對(duì)蓄電池的脈動(dòng)沖擊。
圖5 超級(jí)電容充放電響應(yīng)
如圖6所示，低溫情況下電池的充放電曲線較為平滑，避免了反復(fù)充放電對(duì)電池造成的不利影響。因?yàn)槌?jí)電容的功率密度大，電流輸出能力強(qiáng)，超級(jí)電容對(duì)脈動(dòng)電起到一定的平滑作用，符合預(yù)期效果。
圖6 電池充放電響應(yīng)
2 電池預(yù)加熱
2.1 加熱組件布置方案
本文選取電池底部電加熱膜加熱的方式對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱。該方案利用電池與電加熱膜直接接觸實(shí)現(xiàn)熱傳遞。電加熱膜的發(fā)熱元件是PTC加熱器，PTC加熱器由陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。該類型PTC發(fā)熱體有熱阻小、換熱效率高、耐用環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，且安全性能極佳，可以極大程度避免加熱器表面的“發(fā)紅”從而引起火災(zāi)。外層采用聚酰亞胺加熱膜，聚酰亞胺電熱膜具有優(yōu)異的絕緣強(qiáng)度、抗電強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)效率和電阻穩(wěn)定性，從而廣泛適用于電加熱領(lǐng)域。加熱組件的布置方案如圖7所示，電加熱膜的內(nèi)部構(gòu)造如圖8所示。
圖7 加熱組件布置方案示意圖
圖8 電加熱膜內(nèi)部構(gòu)造示意圖
2.2 加熱方案分析
由于預(yù)加熱過程中不存在電池的充放電情況，所以電池吸收的熱量滿足式（1）：
式中，QH為加熱元件產(chǎn)生的總熱量；Qb為電池吸收的熱量；Qba為電池與環(huán)境交換的熱量；Qha為加熱元件與環(huán)境交換的熱量。
電池單體吸收的熱量為
式中，mi為i號(hào)電池質(zhì)量；Cpi為i號(hào)電池比熱容；ΔTi為i號(hào)電池平均溫度變化。
1.PTC加熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本文對(duì)國(guó)內(nèi)某電池廠家的電池模塊進(jìn)行分析，在環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行充電，直到充電截止電壓為3.65 V，記錄電池充電容量。之后采用熱敏電阻加熱帶對(duì)電池進(jìn)行加熱。將加熱帶接通電源，測(cè)試電池模塊表面溫度和加熱帶表面溫度的變化。
對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱1 h的過程中電池模組、加熱帶表面溫度、流過加熱帶電流與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可知，在 15～20 min之間電池表面溫度升高最快，而在50～60 min之間，電池表面溫度趨于穩(wěn)定。
圖9 加熱帶溫度、加熱帶電流與電池模塊表面溫度隨時(shí)間變化曲線
2.PTC加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PTC熱敏電阻加熱系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：1）電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；2）環(huán)境溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；3）能夠?qū)Φ蜏毓r下的電池進(jìn)行加熱；4）當(dāng)電池溫度到達(dá)一定值時(shí)停止加熱。本文采用的PTC熱敏電阻加熱系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：溫度檢測(cè)模塊、控制計(jì)算模塊、熱敏電阻加熱模塊和功率放大器模塊。圖10為加熱系統(tǒng)的控制邏輯。
圖10 加熱系統(tǒng)控制思路示意圖
首先比較電池工作最佳溫度和電池工作溫度，將比較值以電壓的方式輸入功率放大器，功率放大器根據(jù)電壓對(duì)熱敏電阻輸入電壓，以加熱電池模塊，溫度測(cè)量模塊將實(shí)時(shí)的電池溫度反饋給控制模塊。
3 熱管理系統(tǒng)
3.1 熱管理系統(tǒng)建模
電池?zé)崃颗c冷卻液熱量的交換是通過與冷卻板換熱完成的。圖11為電池與冷卻板的模組示意圖，圖12為電池模組截面示意圖。
圖11 電池模組示意圖
圖12 電池模組截面示意圖
在電池與冷卻板之間添加傳感器，其中電池?zé)豳|(zhì)量塊和冷板熱質(zhì)量塊用來計(jì)算其表面溫度，熱傳導(dǎo)模塊用來計(jì)算電池與冷板之間的換熱量，冷板流道模塊計(jì)算冷卻液與冷板的換熱量。具體的換熱模型如圖13所示。
圖13 電池與冷卻板之間的換熱模型
熱管理系統(tǒng)由電池回路和電機(jī)回路兩個(gè)冷卻液循環(huán)回路構(gòu)成。由四通閥連接二者，構(gòu)成新的冷卻液循環(huán)回路。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)利用PTC加熱器加熱以及電機(jī)余熱的利用。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模如圖14所示，熱管理系統(tǒng)整體布局如圖15所示。
圖14 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模示意圖
圖15 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)布局示意圖
3.2 熱管理系統(tǒng)工作原理
3.2.1 電機(jī)生熱原理
永磁電機(jī)在運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，這些損耗包括：鐵心損耗、繞組銅耗、永磁體渦流損耗、機(jī)械損耗，這些損耗最終絕大部分轉(zhuǎn)化成熱量，成為電機(jī)各部位發(fā)熱的主要熱源，導(dǎo)致電機(jī)溫度升高。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器工作時(shí)的熱損耗是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要熱源，控制器在將高壓直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電以及電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程中存在著不可避免的能量損失，這些損失的能量均以熱能的形式散發(fā)出去，部分熱能作用在電機(jī)或控制器本身使其溫度升高，另一部分熱能則通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流或熱輻射的形式傳遞至外部環(huán)境，最終消散于空氣中。對(duì)電機(jī)而言，其內(nèi)部的熱交換比較復(fù)雜，很多部件既是發(fā)熱部件也是傳熱部件，如定子鐵芯、定子繞組等。通常電機(jī)后端布置有風(fēng)扇主要用于轉(zhuǎn)子的散熱，對(duì)于定子產(chǎn)生的熱量則傳遞給電機(jī)殼體中的冷卻管道，通過與冷卻液的對(duì)流換熱散發(fā)出去。另外由于電機(jī)殼體也是金屬，其表面溫度與內(nèi)部溫度相差不大，故熱輻射量很小，可以忽略不計(jì)。
3.2.2 PTC加熱器控制策略
低溫工況下，需要對(duì)電池加熱，以保證電池快速升溫至適宜工作溫度區(qū)。電動(dòng)汽車上最常用的電池加熱方法是PTC加熱法，通過PTC加熱器加熱電池回路的冷卻液，然后冷卻液將熱量通過冷板傳遞至電池，為電池加熱。冷卻的溫度不能高于電池過多，否則會(huì)對(duì)電池造成損害；也不能低于電池溫度或高于電池溫度過少，否則會(huì)起不到加熱作用或加熱效果不明顯。因此，在對(duì)電池加熱過程中隨著電池溫度的升高，需要通過控制PTC加熱器的加熱功率合理地控制冷卻液的溫度，PTC加熱器是通過改變內(nèi)部的歐姆阻值的大小來改變加熱功率，加熱功率的計(jì)算公式如下：
式中，I為通過PTC電阻的電流；U為PTC兩端的電壓。
通常將電池溫度加熱到10 ℃以上，動(dòng)力電池可獲得較好的性能，同時(shí)，考慮到PTC對(duì)能量的消耗，電池自身熱量的累積以及電機(jī)余熱的利用，將PTC的加熱溫度設(shè)置為15 ℃，即當(dāng)電池溫度低于15 ℃時(shí)，PTC開始工作，當(dāng)電池溫度高于等于15 ℃時(shí)，PTC停止加熱。圖16為PTC加熱器的控制邏輯圖。
圖16 PTC加熱器的控制邏輯圖
3.3 熱管理系統(tǒng)工作方式
加熱模式主要應(yīng)對(duì)的情況是動(dòng)力電池在低溫極端工況下需要加熱以保證電池的性能。在該熱管理系統(tǒng)中，電池的加熱方式具有兩種，即 PTC加熱和電機(jī)余熱加熱。當(dāng)電池加熱需求較小時(shí)，可利用電機(jī)余熱加熱。當(dāng)僅靠電機(jī)余熱無法滿足電池的加熱需求時(shí)，可采用PTC加熱電池冷卻液。當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生一定余溫且溫度依然較低的情況下，使用兩種方式共同為電機(jī)加熱。當(dāng)加熱到一定溫度后，出于對(duì)功耗的考慮，僅使用電機(jī)余熱對(duì)電池進(jìn)行加熱。
加熱模式利用電機(jī)余熱加熱時(shí)電機(jī)回路的液體溫度需要滿足兩個(gè)條件：1）電機(jī)回路溫度Tcm≥30 ℃；2）電機(jī)回路溫度Tcm＞電池回路溫度Tcb。條件1是電機(jī)工作對(duì)溫度的需求，條件2保證熱能是由電機(jī)傳遞至電池回路。電池的加熱方式分為三種，當(dāng)電池溫度小于15 ℃時(shí)，考慮到低溫下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可能存在余熱加熱能力不足以及電池需要快速回溫，所以PTC與電機(jī)和電機(jī)控制器余熱聯(lián)合加熱；當(dāng)電池溫度大于等于15 ℃時(shí)，利用電機(jī)和電機(jī)控制器余熱加熱，因?yàn)殡姵?5 ℃以上已經(jīng)能夠較為高效工作且PTC能耗較高，不再適合使用PTC加熱器對(duì)模塊進(jìn)行加熱。加熱模式的工作控制邏輯如圖17所示。
圖17 加熱模式的工作控制邏輯圖
3.4 熱管理系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
熱管理系統(tǒng)的加熱性能主要可以從將電池加熱到設(shè)定溫度所需的時(shí)間和放電深度（Depth Of Discharge, DOD）兩方面分析。加熱到設(shè)定溫度所需的時(shí)間越短，電池也能越早在適宜溫度范圍內(nèi)工作，放電深度越低，加熱過程所消耗的能量越少。加熱性能分析選取的環(huán)境溫度為-20 ℃、-10 ℃和0 ℃。對(duì)比了電池在電機(jī)余溫加熱、PTC和PTC+電機(jī)余溫加熱三種加熱模式下的溫度變化情況，假設(shè)電池在整個(gè)行駛工況過程中無散熱情形。
圖18為在只有電機(jī)和電機(jī)控制器余熱加熱時(shí)的電池溫度變化情況。從圖中可以看出，在環(huán)境溫度為-20 ℃和-10 ℃下，電池能被加熱到的最高溫度分別是8.2 ℃和12.5 ℃，未達(dá)到設(shè)定的溫度15 ℃。環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，被加熱到的最高溫度為18.8 ℃。
圖18 電機(jī)和電機(jī)控制器余熱加熱時(shí)的電池溫度變化情況
PTC加熱下電池的溫度變化如圖19所示。電池在三種環(huán)境溫度下被加熱到的最高溫度分別是19.3 ℃、20 ℃和21.1 ℃，當(dāng)電池被加熱到15 ℃后，PTC加熱器關(guān)閉，電池依靠自身的熱量累積升溫。
圖19 PTC加熱下電池的溫度變化情況
圖20為PTC+驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱加熱模式下的電池溫度變化情況。從圖中可以看出在電池溫度未達(dá)到15 ℃以前，無論環(huán)境溫度是-20 ℃、-10 ℃還是 0 ℃，電池溫度上升明顯，這是因?yàn)樵谶@一段時(shí)間電池由PTC和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱聯(lián)合加熱。當(dāng)電池溫度上升至15 ℃后，溫升開始變緩，此時(shí)只有電機(jī)和電機(jī)控制器余熱加熱，當(dāng)電池溫度超過20 ℃時(shí)，電池?zé)o加熱，依靠自身熱量累積升溫。
圖20 PTC+驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱加熱模式下的電池溫度變化情況
圖21給出了電池被分別從-20 ℃、-10 ℃和0 ℃加熱到15 ℃時(shí)電池的放電深度。從圖中可以看出，三種加熱模式下，PTC+驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱加熱模式將電池加熱到5 ℃時(shí)電池的放電深度最低，能量消耗最少，相對(duì)于PTC加熱，三種環(huán)境溫度下放電深度減分別減少了4%、3%和 1.5%，這意味著電池能量消耗減少，續(xù)航里程提高。僅余熱加熱時(shí)，盡管沒有額外的電能消耗，但放電深度最高，這是因?yàn)殡姵販厣?，溫度過低，無法加熱至目標(biāo)溫度，或加熱至目標(biāo)溫度所需要的時(shí)間過多。
圖21 加熱到15 ℃時(shí)電池的放電深度
但從行駛工況結(jié)束時(shí)電池的放電深度來看，如圖22所示，還是僅余熱加熱時(shí)電池最終的放電深度最低，相對(duì)于PTC加熱放電深度分別減少了7.6%、6.3%和6%。
圖22 行駛工況結(jié)束時(shí)電池的放電深度
通過上文分析，環(huán)境溫度越高電機(jī)余熱加熱的性能越好，環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，能將電池加熱至15 ℃。從加熱時(shí)間和放電深度兩方面綜合來看，PTC+電機(jī)余熱加熱方式在將電池加熱至目標(biāo)溫度方面優(yōu)于PTC加熱和純余熱加熱，因此，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)集成式熱管理系統(tǒng)具有良好的加熱性能。
4 結(jié)論
文章給出的低溫環(huán)境下純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾矸椒?，即通過蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)回收能量，顯著降低蓄電池放電電流，避免低溫時(shí)蓄電池為加熱頻繁放電造成自身?yè)p耗；在電機(jī)工作之前采取PTC加熱器進(jìn)行預(yù)加熱；通過四通閥將電池冷卻液循環(huán)回路與電機(jī)冷卻液循環(huán)回路互通，電機(jī)工作之后采取PTC+電機(jī)余熱加熱方式，可有效縮短加熱到適合動(dòng)力電池工作溫度的時(shí)間，減少放電深度。同時(shí)對(duì)加熱模式進(jìn)行控制，確保電機(jī)余熱利用，PTC加熱器加熱及二者協(xié)同作用可以分別處于它們高效工作的溫度區(qū)間。最終低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車熱管理方法得到了改善。
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圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
雙向功率變換器采用Buck-Boost復(fù)合電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在Boost工作模式下，電池組端電壓為U1，總線電壓為Un，U1通過升壓電感L、開關(guān)管VT2的升壓變換經(jīng)VD1接到總線電壓，和超級(jí)電容實(shí)行功率混合。在Buck工作模式下，總線電壓Uh通過開關(guān)管VT1的斬波降壓，經(jīng)電感L、電容C2的濾波作用輸出電壓U1對(duì)電池組進(jìn)行充電，二極管 VD2在降壓過程中實(shí)現(xiàn)輸出電流的續(xù)流作用。
圖2 Buck-Boost復(fù)合電路結(jié)構(gòu)圖
1.2 仿真分析
通過 Simulink搭建超級(jí)電容和蓄電池復(fù)合作用的能量管理系統(tǒng)并在-10 ℃的低溫條件下運(yùn)行仿真。
如圖3所示，低溫情況下超級(jí)電容的電壓基本穩(wěn)定在32 V左右，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容穩(wěn)壓的功能。
圖3 超級(jí)電容的電壓變化
如圖4所示，低溫情況下，該系統(tǒng)對(duì)荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）的影響較小，符合蓄電池在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境中單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)下的SOC變化。
圖4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC變化
如圖5所示，超級(jí)電容的充放電波動(dòng)的頻率和幅度較大，是超級(jí)電容不斷補(bǔ)償高頻功率的結(jié)果。負(fù)載脈沖時(shí)超級(jí)電容分擔(dān)了大部分的電流，以減小對(duì)蓄電池的脈動(dòng)沖擊。
圖5 超級(jí)電容充放電響應(yīng)
如圖6所示，低溫情況下電池的充放電曲線較為平滑，避免了反復(fù)充放電對(duì)電池造成的不利影響。因?yàn)槌?jí)電容的功率密度大，電流輸出能力強(qiáng)，超級(jí)電容對(duì)脈動(dòng)電起到一定的平滑作用，符合預(yù)期效果。
圖6 電池充放電響應(yīng)
2 電池預(yù)加熱
2.1 加熱組件布置方案
本文選取電池底部電加熱膜加熱的方式對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱。該方案利用電池與電加熱膜直接接觸實(shí)現(xiàn)熱傳遞。電加熱膜的發(fā)熱元件是PTC加熱器，PTC加熱器由陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。該類型PTC發(fā)熱體有熱阻小、換熱效率高、耐用環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，且安全性能極佳，可以極大程度避免加熱器表面的“發(fā)紅”從而引起火災(zāi)。外層采用聚酰亞胺加熱膜，聚酰亞胺電熱膜具有優(yōu)異的絕緣強(qiáng)度、抗電強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)效率和電阻穩(wěn)定性，從而廣泛適用于電加熱領(lǐng)域。加熱組件的布置方案如圖7所示，電加熱膜的內(nèi)部構(gòu)造如圖8所示。
圖7 加熱組件布置方案示意圖
圖8 電加熱膜內(nèi)部構(gòu)造示意圖
2.2 加熱方案分析
由于預(yù)加熱過程中不存在電池的充放電情況，所以電池吸收的熱量滿足式（1）：
式中，QH為加熱元件產(chǎn)生的總熱量；Qb為電池吸收的熱量；Qba為電池與環(huán)境交換的熱量；Qha為加熱元件與環(huán)境交換的熱量。
電池單體吸收的熱量為
式中，mi為i號(hào)電池質(zhì)量；Cpi為i號(hào)電池比熱容；ΔTi為i號(hào)電池平均溫度變化。
1.PTC加熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本文對(duì)國(guó)內(nèi)某電池廠家的電池模塊進(jìn)行分析，在環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行充電，直到充電截止電壓為3.65 V，記錄電池充電容量。之后采用熱敏電阻加熱帶對(duì)電池進(jìn)行加熱。將加熱帶接通電源，測(cè)試電池模塊表面溫度和加熱帶表面溫度的變化。
對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱1 h的過程中電池模組、加熱帶表面溫度、流過加熱帶電流與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可知，在 15～20 min之間電池表面溫度升高最快，而在50～60 min之間，電池表面溫度趨于穩(wěn)定。
圖9 加熱帶溫度、加熱帶電流與電池模塊表面溫度隨時(shí)間變化曲線
2.PTC加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PTC熱敏電阻加熱系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：1）電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；2）環(huán)境溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控；3）能夠?qū)Φ蜏毓r下的電池進(jìn)行加熱；4）當(dāng)電池溫度到達(dá)一定值時(shí)停止加熱。本文采用的PTC熱敏電阻加熱系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：溫度檢測(cè)模塊、控制計(jì)算模塊、熱敏電阻加熱模塊和功率放大器模塊。圖10為加熱系統(tǒng)的控制邏輯。
圖10 加熱系統(tǒng)控制思路示意圖
首先比較電池工作最佳溫度和電池工作溫度，將比較值以電壓的方式輸入功率放大器，功率放大器根據(jù)電壓對(duì)熱敏電阻輸入電壓，以加熱電池模塊，溫度測(cè)量模塊將實(shí)時(shí)的電池溫度反饋給控制模塊。
3 熱管理系統(tǒng)
3.1 熱管理系統(tǒng)建模
電池?zé)崃颗c冷卻液熱量的交換是通過與冷卻板換熱完成的。圖11為電池與冷卻板的模組示意圖，圖12為電池模組截面示意圖。
圖11 電池模組示意圖
圖12 電池模組截面示意圖
在電池與冷卻板之間添加傳感器，其中電池?zé)豳|(zhì)量塊和冷板熱質(zhì)量塊用來計(jì)算其表面溫度，熱傳導(dǎo)模塊用來計(jì)算電池與冷板之間的換熱量，冷板流道模塊計(jì)算冷卻液與冷板的換熱量。具體的換熱模型如圖13所示。
圖13 電池與冷卻板之間的換熱模型
熱管理系統(tǒng)由電池回路和電機(jī)回路兩個(gè)冷卻液循環(huán)回路構(gòu)成。由四通閥連接二者，構(gòu)成新的冷卻液循環(huán)回路。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)利用PTC加熱器加熱以及電機(jī)余熱的利用。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模如圖14所示，熱管理系統(tǒng)整體布局如圖15所示。
圖14 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模示意圖
圖15 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)布局示意圖
3.2 熱管理系統(tǒng)工作原理
3.2.1 電機(jī)生熱原理
永磁電機(jī)在運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，這些損耗包括：鐵心損耗、繞組銅耗、永磁體渦流損耗、機(jī)械損耗，這些損耗最終絕大部分轉(zhuǎn)化成熱量，成為電機(jī)各部位發(fā)熱的主要熱源，導(dǎo)致電機(jī)溫度升高。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器工作時(shí)的熱損耗是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要熱源，控制器在將高壓直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電以及電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程中存在著不可避免的能量損失，這些損失的能量均以熱能的形式散發(fā)出去，部分熱能作用在電機(jī)或控制器本身使其溫度升高，另一部分熱能則通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流或熱輻射的形式傳遞至外部環(huán)境，最終消散于空氣中。對(duì)電機(jī)而言，其內(nèi)部的熱交換比較復(fù)雜，很多部件既是發(fā)熱部件也是傳熱部件，如定子鐵芯、定子繞組等。通常電機(jī)后端布置有風(fēng)扇主要用于轉(zhuǎn)子的散熱，對(duì)于定子產(chǎn)生的熱量則傳遞給電機(jī)殼體中的冷卻管道，通過與冷卻液的對(duì)流換熱散發(fā)出去。另外由于電機(jī)殼體也是金屬，其表面溫度與內(nèi)部溫度相差不大，故熱輻射量很小，可以忽略不計(jì)。
3.2.2 PTC加熱器控制策略
低溫工況下，需要對(duì)電池加熱，以保證電池快速升溫至適宜工作溫度區(qū)。電動(dòng)汽車上最常用的電池加熱方法是PTC加熱法，通過PTC加熱器加熱電池回路的冷卻液，然后冷卻液將熱量通過冷板傳遞至電池，為電池加熱。冷卻的溫度不能高于電池過多，否則會(huì)對(duì)電池造成損害；也不能低于電池溫度或高于電池溫度過少，否則會(huì)起不到加熱作用或加熱效果不明顯。因此，在對(duì)電池加熱過程中隨著電池溫度的升高，需要通過控制PTC加熱器的加熱功率合理地控制冷卻液的溫度，PTC加熱器是通過改變內(nèi)部的歐姆阻值的大小來改變加熱功率，加熱功率的計(jì)算公式如下：
式中，I為通過PTC電阻的電流；U為PTC兩端的電壓。
通常將電池溫度加熱到10 ℃以上，動(dòng)力電池可獲得較好的性能，同時(shí)，考慮到PTC對(duì)能量的消耗，電池自身熱量的累積以及電機(jī)余熱的利用，將PTC的加熱溫度設(shè)置為15 ℃，即當(dāng)電池溫度低于15 ℃時(shí)，PTC開始工作，當(dāng)電池溫度高于等于15 ℃時(shí)，PTC停止加熱。圖16為PTC加熱器的控制邏輯圖。
圖16 PTC加熱器的控制邏輯圖
3.3 熱管理系統(tǒng)工作方式
加熱模式主要應(yīng)對(duì)的情況是動(dòng)力電池在低溫極端工況下需要加熱以保證電池的性能。在該熱管理系統(tǒng)中，電池的加熱方式具有兩種，即 PTC加熱和電機(jī)余熱加熱。當(dāng)電池加熱需求較小時(shí)，可利用電機(jī)余熱加熱。當(dāng)僅靠電機(jī)余熱無法滿足電池的加熱需求時(shí)，可采用PTC加熱電池冷卻液。當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生一定余溫且溫度依然較低的情況下，使用兩種方式共同為電機(jī)加熱。當(dāng)加熱到一定溫度后，出于對(duì)功耗的考慮，僅使用電機(jī)余熱對(duì)電池進(jìn)行加熱。
加熱模式利用電機(jī)余熱加熱時(shí)電機(jī)回路的液體溫度需要滿足兩個(gè)條件：1）電機(jī)回路溫度Tcm≥30 ℃；2）電機(jī)回路溫度Tcm＞電池回路溫度Tcb。條件1是電機(jī)工作對(duì)溫度的需求，條件2保證熱能是由電機(jī)傳遞至電池回路。電池的加熱方式分為三種，當(dāng)電池溫度小于15 ℃時(shí)，考慮到低溫下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可能存在余熱加熱能力不足以及電池需要快速回溫，所以PTC與電機(jī)和電機(jī)控制器余熱聯(lián)合加熱；當(dāng)電池溫度大于等于15 ℃時(shí)，利用電機(jī)和電機(jī)控制器余熱加熱，因?yàn)殡姵?5 ℃以上已經(jīng)能夠較為高效工作且PTC能耗較高，不再適合使用PTC加熱器對(duì)模塊進(jìn)行加熱。加熱模式的工作控制邏輯如圖17所示。
圖17 加熱模式的工作控制邏輯圖
3.4 熱管理系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
熱管理系統(tǒng)的加熱性能主要可以從將電池加熱到設(shè)定溫度所需的時(shí)間和放電深度（Depth Of Discharge, DOD）兩方面分析。加熱到設(shè)定溫度所需的時(shí)間越短，電池也能越早在適宜溫度范圍內(nèi)工作，放電深度越低，加熱過程所消耗的能量越少。加熱性能分析選取的環(huán)境溫度為-20 ℃、-10 ℃和0 ℃。對(duì)比了電池在電機(jī)余溫加熱、PTC和PTC+電機(jī)余溫加熱三種加熱模式下的溫度變化情況，假設(shè)電池在整個(gè)行駛工況過程中無散熱情形。
圖18為在只有電機(jī)和電機(jī)控制器余熱加熱時(shí)的電池溫度變化情況。從圖中可以看出，在環(huán)境溫度為-20 ℃和-10 ℃下，電池能被加熱到的最高溫度分別是8.2 ℃和12.5 ℃，未達(dá)到設(shè)定的溫度15 ℃。環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，被加熱到的最高溫度為18.8 ℃。
圖18 電機(jī)和電機(jī)控制器余熱加熱時(shí)的電池溫度變化情況
PTC加熱下電池的溫度變化如圖19所示。電池在三種環(huán)境溫度下被加熱到的最高溫度分別是19.3 ℃、20 ℃和21.1 ℃，當(dāng)電池被加熱到15 ℃后，PTC加熱器關(guān)閉，電池依靠自身的熱量累積升溫。
圖19 PTC加熱下電池的溫度變化情況
圖20為PTC+驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱加熱模式下的電池溫度變化情況。從圖中可以看出在電池溫度未達(dá)到15 ℃以前，無論環(huán)境溫度是-20 ℃、-10 ℃還是 0 ℃，電池溫度上升明顯，這是因?yàn)樵谶@一段時(shí)間電池由PTC和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱聯(lián)合加熱。當(dāng)電池溫度上升至15 ℃后，溫升開始變緩，此時(shí)只有電機(jī)和電機(jī)控制器余熱加熱，當(dāng)電池溫度超過20 ℃時(shí)，電池?zé)o加熱，依靠自身熱量累積升溫。
圖20 PTC+驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱加熱模式下的電池溫度變化情況
圖21給出了電池被分別從-20 ℃、-10 ℃和0 ℃加熱到15 ℃時(shí)電池的放電深度。從圖中可以看出，三種加熱模式下，PTC+驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱加熱模式將電池加熱到5 ℃時(shí)電池的放電深度最低，能量消耗最少，相對(duì)于PTC加熱，三種環(huán)境溫度下放電深度減分別減少了4%、3%和 1.5%，這意味著電池能量消耗減少，續(xù)航里程提高。僅余熱加熱時(shí)，盡管沒有額外的電能消耗，但放電深度最高，這是因?yàn)殡姵販厣?，溫度過低，無法加熱至目標(biāo)溫度，或加熱至目標(biāo)溫度所需要的時(shí)間過多。
圖21 加熱到15 ℃時(shí)電池的放電深度
但從行駛工況結(jié)束時(shí)電池的放電深度來看，如圖22所示，還是僅余熱加熱時(shí)電池最終的放電深度最低，相對(duì)于PTC加熱放電深度分別減少了7.6%、6.3%和6%。
圖22 行駛工況結(jié)束時(shí)電池的放電深度
通過上文分析，環(huán)境溫度越高電機(jī)余熱加熱的性能越好，環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，能將電池加熱至15 ℃。從加熱時(shí)間和放電深度兩方面綜合來看，PTC+電機(jī)余熱加熱方式在將電池加熱至目標(biāo)溫度方面優(yōu)于PTC加熱和純余熱加熱，因此，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)集成式熱管理系統(tǒng)具有良好的加熱性能。
4 結(jié)論
文章給出的低溫環(huán)境下純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾矸椒?，即通過蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)回收能量，顯著降低蓄電池放電電流，避免低溫時(shí)蓄電池為加熱頻繁放電造成自身?yè)p耗；在電機(jī)工作之前采取PTC加熱器進(jìn)行預(yù)加熱；通過四通閥將電池冷卻液循環(huán)回路與電機(jī)冷卻液循環(huán)回路互通，電機(jī)工作之后采取PTC+電機(jī)余熱加熱方式，可有效縮短加熱到適合動(dòng)力電池工作溫度的時(shí)間，減少放電深度。同時(shí)對(duì)加熱模式進(jìn)行控制，確保電機(jī)余熱利用，PTC加熱器加熱及二者協(xié)同作用可以分別處于它們高效工作的溫度區(qū)間。最終低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車熱管理方法得到了改善。
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