纯电动汽车PTC电池液热系统水温变化研究

柴业鹏 孔为 赵国华 朱广燕 展标 张静雅 李文

摘要：分析了一种纯电动汽车动力电池热管理系统的液热系统过水PTC实际使用过程可能会出现的液体过温问题，详细论述其工作原理。搭建电池包液热系统的试验台架，并运用台架的温度场分析，得到了电池包液热系统的各位置温度分布。试验结果表明：随着电池过水加热PTC功率的提升，液体进水温度会不斷提升，但在匹配的3kW过水加热PTC不会出现液体过温问题，可以正常使用。

Abstract： This paper analyses the liquid overheat problem that may occur in the actual use process of the liquid overwater PTC of a pure electric vehicle power battery thermal management system， and discusses its working principle in detail. The test bench of the battery envelope liquid heat system is constructed， and the temperature field analysis of the battery envelope liquid heat system is obtained. The test results show that with the increase of PTC power of over-water heating of the battery， the temperature of liquid water inlet will continue to increase， but in the matching 3kW over-water heating PTC will not have the problem of over-temperatureing of liquid， can be used normally.

关键词：电池热管理;PTC;液热系统

Key words： battery thermal management;PTC;liquid heat system

中图分类号：U469.72                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）21-0189-02

0  引言

随着国内外电动汽车技术的迅速发展，锂离子动力电池以其优异的充放电性能、较高的能量密度、低污染的特性，受到了各电动汽车车企的青睐。无论温度是高于还是低于电池本身承受值，对新能源汽车的续航里程和电池寿命都会有所影响。因此，对电池的热量管理显得十分重要[1]。锂离子电池的理想工作温度区间为20-40℃[2]。我国广大范围的北方疆域，因冬季温度较低，严重影响了新能源电动汽车电池的性能及表现，极大限制了我国新能源电动汽车在这些地区的推广。因此，在低温区域使用的新能源电动汽车需配备动力电池加热系统。对于软包电池，温度偏高可能会导致密封失效，所以电池的最高温度最好控制在60℃以内[3]。液体加热是较为理想的加热方式，因此对使用液体加热电池系统的研究则愈显重要。液体加热常使用PTC（Positive Temperature Coefficient）作为热源，本文对PTC实际使用过程中是否会出现过温水的问题进行了研究。

1  纯电动汽车动力电池热管理系统的液热系统描述

1.1 纯电动汽车动力电池热管理系统的液热系统描述

纯电动汽车动力电池热管理系统的液热系统根据结构形式的不同主要分为：

①过水PTC液热系统;

②电机余热回收+ PTC液热系统;

③热泵+ PTC液热系统。

目前限于电池成本及零部件体系等因素，国内大部分纯电动车液热模式较多选用过水PTC液热系统，部分选用电机余热回收+ PTC液热系统，另有少部分选用热泵+ PTC液热系统。其中，过水PTC液热系统作为行业内使用量较大的系统，因系统简单、控制方式简单得到了广泛搭载使用;电机余热回收+ PTC液热系统则因系统较为复杂、余热回收能力变化较大，搭载的项目较少;热泵+ PTC液热系统因其较高的成本、复杂的控制策略以及热泵在极低温下的不适表现，只有少数项目在进行开发。

1.2 纯电动汽车动力电池热管理系统的过水PTC液热系统构成

纯电动汽车动力电池热管理系统的过水PTC液热系统由动力电池系统（含液冷板）、循环水泵、水管、加热器件构成。

1.3 纯电动汽车动力电池热管理系统的过水PTC液热系统控制方式描述

纯电动汽车动力电池热管理系统是根据布置在电池热管理系统内部的各温度传感器检测各点温度，通过电池管理系统（BMS）判断来确定各零部件的运行模式和工作状态。通过持续监测电池的温度状态、进出水及加热器件的温度状态以及电池充、放电模式需求，根据设定控制策略不断进行工作状态的确认和运行模式的调整。

2  一种纯电动汽车动力电池热管理系统的过水PTC液热系统

2.1 动力电池系统

动力电池系统参数：

电池类型：三元锂电池;

额定能量：49.68kWh;

额定电压：331.2V;

模组数量：23;

系統串并方式：3并92串;

热管理方式：液冷+液热;

工作温度区间：-30-55℃;

液冷板：口琴管，如图1;

液冷管：PA12耐水解尼龙管。

2.2 过水PTC

额定电压：350V，额定功率3kW。

2.3 水泵

工作电压范围：8-20V，最大功率：108W，最大电流：12.9A。

2.4 水管

正常连接液热系统各件，保证密封性。

2.5 防冻液

50%乙二醇溶液;

25℃密度：1071.11kg/m3;

比热容：3300J/（kg·℃）;

凝点：-33.8℃。

3  一款纯电动汽车动力电池热管理系统的过水PTC液热系统加热过程的分析

3.1 PTC给液体加热的阶段

加热过程为：

过水PTC通电加热防冻液

防冻液经PTC加热的温升为？驻T=

3.2 液体给电池加热的阶段

加热后的防冻液流经电池模组底部，通过导热垫将热量传递至模组中的电芯中，电芯吸热温度上升，防冻液则放热降温。

防冻液在电池包内释放热功率为：

4  纯电动汽车动力电池热管理系统的液热系统过水PTC实验测试

4.1 测试条件

①环境温度：-30±2℃。

②纯电动汽车1台、上位机、笔记本电脑1台、USB-CAN盒1台、快充桩。

4.2 软件控制策略

当电池起始最低温度低于0℃时，启动循环水泵，流量12L/min，接通PTC，请求电压350V，电流30A;当电池起始温度达到10℃时，停止加热。

4.3 电池和电池进出水温度变化情况

如图2，当电池最低温度达到10℃时，加热全过程电池进水温度最高为27℃，距电池过温点（60℃）较远。进水能够保持安全可靠的温度条件。

5  结论

我们通过某款纯电动汽车动力电池热管理系统的PTC液热系统加热过程的分析和实验研究，排除了该款车型在低温环境中通过过水PTC液热系统来实现电池升温的方式可能会出现液体过温的可能，对后续这类车型在设计中提供有益的方案及经验借鉴。

参考文献：

[1]唐佳，张袁元，王玉国，等.一种液体介质的汽车电池热管理结构设计与分析[J].机电工程技术，2019（07）：42-44.

[2]C.E.L.Foss，A.M.Svensson，O.Gullbrekken.Temperature effects on performance of graphite anodes in carbonate based electrolytes for lithium ion batteries[J].Energy Storage，2018（17）：395-402.

[3]W.Song，M.Chen，F.Bai.Non-uniform effect on the thermal/aging performance of Lithiumion pouch battery[J].Appl.Therm.Eng.2018（128）：1165-1174.