1 引言
電動(dòng)汽車(chē)表現(xiàn)出的續(xù)航里程短、循環(huán)壽命低等難題一直是制約電動(dòng)汽車(chē)高速增長(zhǎng)的主要因素，這些因素對(duì)環(huán)境溫度比較敏感，動(dòng)力電池在高溫工作時(shí)，循環(huán)壽命縮短，安全性能下降;低溫工作時(shí)，充放電容量衰減嚴(yán)重，且多次低溫循環(huán)對(duì)安全性也有一定影響[1]。而且動(dòng)力電池的溫度特性在短期內(nèi)很難取得突破性進(jìn)展，這是由動(dòng)力電池本身化學(xué)特性決定[2]。為降低動(dòng)力電池化學(xué)特性短板對(duì)整車(chē)的影響，需通過(guò)熱管理手段改善動(dòng)力電池工作環(huán)境，減少外部環(huán)境對(duì)動(dòng)力電池工作環(huán)境的影響，從而降低對(duì)整車(chē)的負(fù)面影響。同時(shí)由于大部分純電動(dòng)轎車(chē)動(dòng)力電池包布置空間小，設(shè)計(jì)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)應(yīng)兼顧動(dòng)力電池特性與純電動(dòng)轎車(chē)的動(dòng)力電池包布置空間。
2 鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾矸桨?/span>
該熱管理系統(tǒng)在低溫工作時(shí)，對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池進(jìn)行加熱保溫;高溫工作時(shí)，進(jìn)行散熱。然而，增加熱管理裝置受限于車(chē)輛的布置空間，同時(shí)從磷酸鐵鋰動(dòng)力電池溫度特性知，該類型動(dòng)力電池易受低溫影響，放電生熱相對(duì)較少，且具有優(yōu)異的高溫?zé)岱€(wěn)定性。因此，本文采用低溫加熱保溫，高溫自然散熱方式進(jìn)行熱管理。
動(dòng)力電池包低溫加熱采用加熱片裝置。對(duì)于加熱片位置，可布置于動(dòng)力電池間、動(dòng)力電池上表面和下表面、上包蓋和下包體內(nèi)側(cè)。若動(dòng)力電池間布置加熱裝置，加熱片的固定較為困難，且增加動(dòng)力電池包體積和成本。動(dòng)力電池包底部和頂部具有一定的空間，但由于動(dòng)力電池表面存在模組框，加熱片無(wú)法布置于動(dòng)力電池表面，所以加熱片應(yīng)布置在上包蓋或下包體。若上包蓋放置加熱片，在進(jìn)行開(kāi)包操作時(shí)存在一定困難，所以加熱片較為理想的布置位置為動(dòng)力電池包下包體。對(duì)于加熱片功率分布，因后箱動(dòng)力電池（48個(gè)）放置方式、高度、重量等與前箱（60個(gè)）不同，所以需考慮前后箱加熱板功率分布。
加熱片工作時(shí)，由于包壁為金屬結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱率較大，熱量會(huì)從包壁損失，應(yīng)采取必要的保溫措施，但從散熱角度分析，當(dāng)動(dòng)力電池在夏季工作時(shí)，保溫材料的厚度同樣影響熱量散失，所以散熱與保溫之間存在矛盾。由于本文研究的車(chē)輛使用區(qū)域夏季高溫溫度較低且高溫天數(shù)較少，經(jīng)分析對(duì)動(dòng)力電池壽命影響較小，所以動(dòng)力電池包僅采用保溫設(shè)計(jì)。對(duì)于保溫材料的厚度，由于動(dòng)力電池包布置空間的限制，保溫材料厚度為3mm。
3 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池建模仿真
3.1 動(dòng)力電池包散熱仿真
為研究動(dòng)力電池在絕熱條件以及自然散熱條件下溫度場(chǎng)變化情況，對(duì)動(dòng)力電池在1C放電情況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，（a）為絕熱條件下動(dòng)力電池1C放電的溫度云圖，（b）為自然散熱條件下動(dòng)力電池1C放電的溫度云圖。自然散熱條件下動(dòng)力電池最高溫度為34.1℃，相比絕熱條件下的動(dòng)力電池溫度并無(wú)明顯變化。由此可知，動(dòng)力電池在絕熱條件下的溫度變化可近似代表動(dòng)力電池包內(nèi)最高溫度變化。
3.2 動(dòng)力電池包加熱仿真
動(dòng)力電池加熱片功率較小時(shí)，動(dòng)力電池加熱時(shí)間較長(zhǎng)。加熱片功率較大時(shí)，若加熱片控制失效，則會(huì)引起安全問(wèn)題[4]。鑒于這兩方面因素，加熱片阻值確定為120Ω，加熱功率1KW。當(dāng)控制失效時(shí)，溫度值低于動(dòng)力電池?zé)岱€(wěn)定溫度，不會(huì)引起安全問(wèn)題，且動(dòng)力電池加熱時(shí)間較短。加熱片功率大小按照前后動(dòng)力電池導(dǎo)熱功率進(jìn)行分布。之后仿真得動(dòng)力電池加熱條件下溫度云圖，前后端溫度平均值近似相等，加熱板功率分布較為合理。
3.3 動(dòng)力電池包保溫仿真
為研究保溫材料對(duì)動(dòng)力電池加熱效果的影響，對(duì)動(dòng)力電池包有保溫（3mm厚的保溫棉）和無(wú)保溫兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。初始溫度為-10℃且加熱片功率相同的動(dòng)力電池包穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖。保溫結(jié)構(gòu)對(duì)加熱效果影響較大，在有保溫條件下，動(dòng)力電池溫度明顯增加。若電動(dòng)車(chē)空間允許的情況下，可適量增加保溫材料厚度，減少加熱過(guò)程中的熱量損失（動(dòng)力電池包內(nèi)最高點(diǎn)溫升變化近似為動(dòng)力電池在絕熱條件下的溫升變化，不必考慮散熱問(wèn)題）。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證分析
為研究動(dòng)力電池實(shí)際放電升溫以及加熱升溫情況，將動(dòng)力電池包在絕熱環(huán)境下進(jìn)行放電以及加熱升溫試驗(yàn)，結(jié)果如圖1（a）、（b）所示，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，在絕熱環(huán)境下，動(dòng)力電池包仿真放電溫升以及加熱溫升與試驗(yàn)溫升具有較高的吻合度，說(shuō)明動(dòng)力電池包仿真模型較為準(zhǔn)確，并說(shuō)明所選的動(dòng)力電池的熱管理方案是能夠保證動(dòng)力電池的工作溫度區(qū)間在合理的范圍內(nèi)，確保了動(dòng)力電池的循環(huán)壽命以及低溫充電量。
5 總結(jié)
本文利用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池容量易受低溫影響，高溫對(duì)動(dòng)力電池循環(huán)壽命衰減影響較少的特點(diǎn)，結(jié)合整車(chē)布置空間，確定磷酸鐵鋰動(dòng)力電池采用低溫加熱保溫，高溫自然散熱的熱管理方案，并為此展開(kāi)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的準(zhǔn)確性。
1）基于動(dòng)力電池產(chǎn)熱機(jī)理，通過(guò)試驗(yàn)的方法求得動(dòng)力電池?zé)嵛镄詤?shù)，從而建立動(dòng)力電池生熱模型;
2）對(duì)于散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因受限于動(dòng)力電池布置空間，同時(shí)考慮到高溫對(duì)動(dòng)力電池循環(huán)壽命衰減影響較少的特點(diǎn)，本文采用自然散熱方式;
3）并通過(guò)分析動(dòng)力電池生熱特性結(jié)合動(dòng)力電池布置，分析加熱裝置功率分布對(duì)加熱溫度場(chǎng)的影響，確定加熱裝置的分布功率，縮短加熱時(shí)間，從而提高加熱效率;
4）分析得出具有保溫結(jié)構(gòu)的動(dòng)力電池包自然散熱能力較弱，然而其對(duì)加熱影響較大，在空間允許的情況下，可適量增加其厚度，減少熱損耗。
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