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液冷动力电池低温加热系统设计研究

o来源：电动学堂

动力电池是电动汽车重要的能量存储装置和动力来源，直接影响到整车的

安全性使用性能。目前由于动力电池材料所限，动力电池的性能还无法满

足低温和高温环境下的使用要求，因此需要设计单独的动力电池系统的温

度管理系统(BatteryThermalManagement，BTM)来对动力电池进行

安全监控和有效管理，使得动力电池始终工作在合适的温度范围内，避免

影响车辆的使用甚至引起安全事故，同时避免动力电池单体长时间存在较

大的温差造成电池一致性的恶化，从而降低动力电池系统的性能，缩短电

池的使用寿命。

相比风冷和自然冷却结构动力电池包，液冷结构的动力电池包具有更好的

温度均匀性､更高的冷却效率和良好的NVH性能，特别是解决了风冷结构

动力电池包箱体无法密封防水的问题，成为目前研究最热门的动力电池包

冷却结构。本文以一款液冷结构的锂离子动力电池包为研究对象，研究低

温情况下的动力电池加热和保温方法。

1动力电池的低温特性

试验数据表明，动力电池的性能受温度的影响非常明显。以一款液冷电池

包选用的三元功率能量兼顾型锂离子动力电池为例，以SOC=50%为基

准，测试动力电池在不同环境温度下，静置20h，以1C的倍率进行充放

电试验，测试动力电池的充放电容量和持续10s的充放电功率，得到如图

1所示的试验结果。表1为动力电池低温环境下容量和功率测试结果。

由图1和表1可知，在≤-30℃环境下，动力电池的容量和功率急剧降

低，特别是充电容量和充电功率下降更加明显。由-30℃的动力电池测试

数据可知，虽然动力电池还有接近30%的可用放电容量和放电功率，但是

可用的1C充电容量和充电功率降为常温的10%左右。低温情况下，动力

电池的充电能力下降尤其明显。

动力电池理想的工作温度范围为10~35℃，在高温环境下(≥45℃)，1C

充放电容量基本上可以和常温保持一致，但是充放电功率明显下降，说明

在高温环境下，动力电池内部活性物质化学反应速度加快，爆炸和起火的

风险增高，为保障动力电池的使用安全性和延长循环寿命，动力电池可用

的充放电功率明显降低。由此可知，设计动力电池包低温加热系统对于动

力电池包在低温环境下的使用性能有着极其重要的意义。

2动力电池低温加热､保温要求和热管理设计方案

为了满足动力电池包的热管理目标，设计了如图2所示的动力电池液冷系

统，该款液冷动力电池包包括两套冷却回路。默认的冷却模式为慢冷模

式，慢冷模式即电动水泵驱动冷却液流经电池表面进行热循环的冷却方

式，消耗的散热功率较小。只有在电池温度T40℃的情况下，才会启动

快冷模式，快冷模式是利用空调的冷媒流经液液交换器的方式快速冷却电

池冷却液，从而达到在很短的时间内冷却电池的目的。当电池温度

T30℃且环境温度Ts20℃时，退出快冷模式。

图3为动力电池系统充电和加热流程。当充电枪插上并唤醒充电机时，如

果电池系统和充电机自检正常且没有系统错误，则闭合充电回路继电器，

并判断电池温度。如果电池温度T-10℃，则先行启动加热回路，利用充

电机提供的充电能源对动力电池进行加热。在电池温度升高到T10℃

时，退出加热流程，电池系统进入充电模式，进行充电。电池低温情况下

充电的原则是先加热，后充电。在连接充电枪的情况下，当电池处于满电

状态，电池温度T5℃且环境温度Ts-10℃时，动力电池系统进入保温

模式。

为了满足插电式混合动力汽车(PluginHybridElectricVehicle，PHEV)

低温环境下的使用要求，整理提出液冷动力电池包的低温加热和保温要求

如下:

1)-30℃环境温度下将动力电池冷却液温度升高到40℃的时间