1概述

電池作為純電動車的動力元件，直接影響到車輛的續駛里程、壽命和整車性能。對于純電動車來說，動力電池的充放電可能隨時進行。充放電是典型的電化學過程，其伴生的反應熱很容易引起電池組內100℃以上的溫差，如不及時散熱，對充放電過程、電池的可靠性和壽命都有極大的負面影響，電池熱效應問題也會影響到整車的性能和壽命。目前對動力電池冷卻主要是:保證充放電時產生的熱量及時散出;各模塊間溫度分布均勻。因此，本文以國內某輕型商用純電動車用磷酸鐵鋰電池包為研究對象，對現有電池冷卻方案進行了性能試驗對比和數據分析，確定了電池包冷卻的最終方案。

2動力電池冷卻方案

動力電池的冷卻主要有風冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式;與其他兩種冷卻技術相比，風冷方式技術更成熟，其研發、制造成本相對較低，周期短，目前被廣泛采用，國內目前市場上的純電動汽車也主要以風冷為主。風冷方式又分自然冷卻和強制冷卻。因此，某輕型商用純電動車型動力電池也選擇風冷方式，設計了強制冷卻和自然冷卻兩種風冷方式。強制冷卻是由鼓風機將乘員艙內被空調冷卻的25～30℃空氣抽進電池箱體，通過電池箱體內部強制對流帶走電池散發的熱量，最后排入環境中。自然冷卻無單獨冷卻系統，僅依靠自然對流散熱，該方式電池溫度高，但成本低。

為滿足車輛總重量大、續駛里程長的要求，該車型選用磷酸鐵鋰電池電容量達75kWh。因在現有成熟車型上進行動力總成改型設計，受車體空間影響，電池必須安放在地板下，且電池模塊必須分別放置在前后兩電池箱內才能滿足安裝要求。電池包冷卻方案結構示意圖如圖1。

由圖1所示，經過計算流體力學(CFD)分析后確定下來的強制冷卻方式為:風道入口布置在車廂內第三排座椅下，通過冷卻風道引入電池后箱，靠近后箱進口處電池通過引風板迫使氣流下行，后箱再通過8個膠管與前箱相連，熱空氣由布置在發動機艙的鼓風機通過4個膠管從前箱抽出來，排入到大氣中。自然冷卻方式是取消電池冷卻風道、鼓風機，后箱入口、前箱出氣口封堵，電池箱內結構和強制冷卻相同。

3電池冷卻性能分析

3.1性能設計目標

動力電池的冷卻性能的好壞，直接影響電池的效率，同時也會影響到電池壽命和使用安全。根據電池不同溫度下循環壽命次數、和該車型動力電池質保要求，該車型磷酸鐵鋰電池冷卻必須滿足如下性能目標:

(1)各工況下，電池最高溫度Tmax＜55℃;

(2)各工況下，電池單體之間的溫差△T≤7℃。

3.2冷卻性能考核工況和要求

3.2.1工況確定原則

無論是電池哪種冷卻方式，都必須通過車輛相關的試驗驗證，這就涉及到評價準則、試驗規范和要求。目前，國內尚無較成熟的純電動車動力電池的整車冷卻性能試驗工況和方法。在設計試驗工況時，既需考慮電池充放電時的發熱特性，即滿足電池充放電狀態下的工作狀態，則應選擇整車電能消耗最大的工況進行考核;且同時充分考慮該車型目標市場需求(國內城市物流車、通勤車、園區短駁車、公務用車)。根據上述原則，性能試驗工況設計成由單一試驗工況和順序試驗工況組成。試驗條件要求環境溫度38℃，濕度40－50%，光照1000W/K.m2，如路試，要求光照充足，平直路面，風速小于10km/h。

3.2.2單一試驗工況

3.2.2.1充電:

以80A進行快速充電，荷電狀態(SOC)從電量最小狀態充到滿電狀態;充電需求時間2.5h。

3.2.2.2放電工況:

放電工況一般是車輛從滿電狀態按以下既定工況運行到最小荷電狀態。路試時車輛盡可能以最短時間耗電最少狀態行駛到指定路線按既定工況進行試驗。

(1)爬坡工況:以50km/h在7.2%坡度路面行駛，路試時，通常用負荷拖車加載力模擬坡度進行;

(2)高速工況:根據車輛30min最高車速制定，確定100km/h勻速行駛;

(3)城市城郊工況:由城市、城郊工況組成。城市工況按(0～40km/h(5s)～停車怠速(5s)～啟動～40km/h(5s)循環(加速和減速時間均為5s)，時間長55min;城郊工況，按(0～80km/h(10s)～保持恒速(6s)～減速到50km/h(5s)

～保持恒速(6s)～加速到80km/h(5s)～保持恒速(6s)～減速到50km/h(5s)循環，時間33min后，再減速到0(7s)。

3.2.3順序試驗工況，模擬車輛園區內白天連續不間斷長時間內充放電使用情況。以白天早上9:00到晚上6:00為一個考核周期，用單一試驗工況中的快充、爬坡、快充、城市城郊工況順序組合成該考核工況。

3.3數據采集及數據分析

電池溫度測試主要是針對電池各模組中電池極柱溫度、電芯內部溫度以及進出口風道溫度。試驗測試時電池溫度通過電池管理系統(BMS)讀取。

3.3.1爬坡工況下兩種冷卻方式對比

爬坡工況時電池放電倍率0.9C。圖2、圖3分別為自然冷卻及強制風冷的電池極柱溫度曲線。

由圖2可知，自然冷卻方式車輛以50kph，7.2%坡度帶負荷拖車行駛，SOC從95%到32%，運行51min;卸載后以40～50kph行駛8min;爬坡中電池溫升緩慢，溫度最高點(49℃)出現在總負、總正處，電池各單體間最大溫差6℃，滿足設計指標要求。卸載后由于放電倍率下降為0.1C，最高點溫度迅速下降到45℃，溫降非常快。

由圖3可知，強制風冷方式以50kph，7.2%坡度帶負荷拖車行駛，SOC從93%到23%，運行60min;卸載后以40～50kph行駛17min;加載瞬間放電倍率由0.1C上升到1.3C，電池溫度開始快速上升，很快就到達鼓風機開啟溫度45℃，鼓風機開啟，電池箱內出現強制對流;受艙內冷氣流影響，后箱進風口部分電池10min內溫度下降5℃，出現最低點35℃;電池溫度最高點47℃出現在前箱出風口附近，即前箱總負極柱;爬坡過程放電倍率(0.9C)不變，電池發熱與強制風冷帶走熱量幾乎達到平衡，電池溫差幾乎不變。因從后箱帶走的熱量累積在前箱，不能及時排出，前箱溫度普遍比后箱高3～4℃。強制風冷電池最高溫度滿足性能要求，但溫差12℃不滿足性能要求。

3.3.2高速工況下冷卻方式對比

高速工況時電池放電倍率0.4C。圖4、圖5分別為自然冷卻及強制風冷的電池極柱溫度曲線。由圖4可知，自然冷卻電池整體溫升緩慢，因放電倍率小，放熱量相對較小，且只有自然對流，電池最高溫度45℃，電池單體間溫差很小，只有4℃。從圖5可以看出，強制冷卻受場內冷空氣影響，后箱開始也是溫度下降到36℃;因受電池鼓風機溫度策略影響，鼓風機沒有開啟，電池箱內靠前后箱空氣溫差的緩慢對流，受熱空氣影響，進口處電池溫度又緩慢回升到39℃，電池間溫度也沒有明顯變化，溫差只有5℃，前箱溫度也只比后箱高1～2℃.兩種冷卻方式在高速工況下都能滿足性能設計要求。

 

3.3.3城市城郊工況下冷卻方式對比

城市城郊工況時電池等效放電倍率約0.8C.圖6、圖7分別為自然冷卻及強制風冷的電池極柱溫度曲線。

車輛先以一般工況行駛到指定地點，再以城市城郊工況行駛，測試時SOC從88%到41%，城市工況行駛55min，城郊工況行駛33min;由圖6可知，自然冷卻方式下電池溫升緩慢，電池溫度由起初37℃上升到最后的43℃，溫度最高點出現在后箱、前箱總正、總負極柱處，電池單體間溫差6℃，滿足性能要求。

由圖7可知，車輛開始運行時鼓風機就開啟，電池箱內空氣強制對流，前箱的電池溫度比后箱高5～6℃。電池最高溫度45℃，出現在前箱總負極柱點，電池單體間溫差14℃，電池均勻性差，不能滿足性能要求。

3.3.4充電狀態下冷卻方式對比

車輛以兩種冷卻方式進行快速充電考察電池箱內電池溫度變化。通過測試數據，兩種冷卻方式下電池的最高溫度和溫度對比如圖8。自然冷卻方式電池最高溫度比強制冷卻高2℃，溫差比強制冷卻低1℃。

3.3.5順序工況下冷卻方式對比

圖9為兩種冷卻方式下的最高溫度、溫差。由圖9可知，自然冷卻滿足電池的最高溫度、溫差性能要求;強制風冷下電池最高溫度低于自然冷卻4℃，但溫差大、電池一致性差。

從上述對比結果來看，自然冷卻滿足設計目標，強制冷卻不能滿足設計目標，在兼顧考慮了車輛的安全、成本、開發周期等因素后，最終確定了自然冷卻為電池冷卻方案。在后續多次性能、耐久性試驗測試中表明，該冷卻方案完全滿足性能要求，實現了設計目標。

4結束語

通過性能試驗分析得出以下結論:

(1)單一試驗工況自然冷卻電池溫升緩慢，前后兩箱溫升趨勢一致，溫差小，一致性好;

強制冷卻方式風道進口處因受到艙內較冷空氣流影響，溫度最低點出現在進口側，且前箱出風口不順暢，后箱產生的熱量帶到前箱后不能及時排出，導致前箱比后箱溫度普遍要高些，電池最高溫度點在前箱的總正、總負極柱點;溫差大，一致性差。

(2)順序試驗工況最高溫度自然冷卻比強制冷卻高4℃，溫差自然冷卻比強制冷卻低10℃左右。結果表明，采用電池自然冷卻方式可以滿足性能要求。

通過該性能試驗對比和數據分析，確定了電池最終的冷卻形式，為后續同類純電動車型電池冷卻設計提供了性能考核方法和相關參考依據。