双层布置结构动力电池低温性能研究

蒋中洲 何超兰 刘 聪

双层布置结构动力电池低温性能研究

蒋中洲 何超兰 刘 聪

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545025）

文章以采用加热膜加热的双层结构动力电池为研究对象，为验证低温环境下的其动力电池的热管理性能，通过制定测试条件，并在实车上搭载开展测试，通过对动力电池包内部模组的各项数据采集，并对装配载动力电池包内不同位置的模组温度差异进行分析，以期获得该类型电池包低温状态下的热管理状态以及相应优化措施的目的。

双层结构；动力电池；低温性能

引言

随着汽车工业的高速发展以及国家“碳达峰、碳中和”的要求，新能源汽车的发展受到广泛关注。动力电池作为新能源汽车的核心动力源，与整车的安全性、成本、使用寿命、续航里程等关键性能指标直接相关，成为各科技企业重点比拼的技术领域。近年来，锂离子电池凭借体积小、容量大、能量密度高、工作电压稳定、寿命较长等优势，广泛应用于纯电动汽车中[1,2]。但由于锂离子电池对温度的敏感（电池的最佳工作温度区间为20 ℃～35 ℃），当电池在低温环境下工作时，其充电与放电性能将大幅衰减，直接影响到整车的充电速度、车辆动力性能以及续航里程。由于存在电池对温度敏感这一特性，电池包内电芯的温度差异对电池的使用寿命同样起到关键作用。不同温度下的电池充放电容量不同，充放电倍率同样存在差异。在低温环境下使用，温度高的电池容量和倍率性能要优于温度低的电池，单个电池包在充放电过程中对每个电池的电流分配几乎是均匀的。在充放电过程中，温度较低的电池所承受的负荷要高于温度高的电池，长期使用就会造成低温区的电池衰减更快，根据木桶原理，整个电池包的容量决定于容量最低的电池，因此，长时间处于低温区域的电池会造成整个电池系统寿命的异常衰减。此外，在电池包使用末期，容量衰减严重的电池内部发生微短路的可能性较高，微短路的累积会引发电池热失控、进而影响车辆安全[3-6]。为提升冬季低温环境下的动力电池性能，不但需控制电池温度在适宜的范围之内，而且需尽可能地减少电池之间温度的差异，以保证动力电池充放电性能稳定、平衡温度差异，延长整个电池包的使用寿命，因此，合理的动力电池热管理系统尤为重要。

目前动力电池的低温加热方式主要分为液热、加热膜加热[7,8]。液热方式结构复杂，对车体与动力电池布置结构空间要求较高，适用于车体底盘空间大、模组单层布置的动力电池。加热膜布置结构简单，适用于布置结构紧凑，特别是双层电池模块布置的动力电池系统。

本文对采用加热膜加热的双层模组布置的动力电池包分析，通过实车搭载运行的测试方法，对动力电池包内部模组工作温度采集记录，并对不同位置的模组温度差异进行分析，以期获得该类型电池包低温状态下的热管理状态以及相应优化措施的目的。

1 测试对象简介

本文以某款纯电动乘用车的动力电池包为研究对象，该电池包共包含32个模组，模组以双层布置结构分布，下层18个模组，上层14个模组。该电池包冷却方式为自然冷却，加热方式为加热膜加热，在充电过程中由充电桩提供能量进行加热，在非充电状态下，电池包消耗自身电量为加热膜提供能量进行加热。电池包内共有32片加热膜，分别与32个模组一一对应，加热膜粘贴于每一个模组底部，加热膜之间通过加热线束进行连接，由BDU内部的加热继电器的控制通断，以此控制加热膜加热工作的开启与停止，达到低温环境下对动力电池模组加热控制的目的。研究对象内部模组布置结构如图1所示，上下层模组的安装脚位非完全对齐，而是错位排布，动力电池下箱体上开设有安装螺纹孔，下层模组通过螺栓直接与箱体螺纹孔配合实现紧固连接，上层模组安装于钢质支架上，钢质支架上开设有安装螺纹孔，上层模组通过安装螺栓与钢质支架连接，钢质支架再通过安装螺栓与动力电池箱体连接紧固。

图1 动力电池内部模组布置图

1.1 测试条件

此次研究区别于以往针对动力电池开展热仿真、环境舱低温测试的场景，为获取实车在低温环境下工作时，动力电池内部真实的数据，制定如下测试条件：（1）测试环境选择：某款电动车主销区域中，冬季温度最低的城市，测试过程中最低环境温度-17 ℃，最高温度-5 ℃；（2）行车区域选择：参考某款纯电动车实际运行工况，选择试验路况为高速公路与市郊公路的综合路况；（3）测试准备：测试开始前车辆在低温环境静置至温度平衡，通过工具读取动力电池内部温度，要求动力电池最低温度为环境温度±2 ℃，并且动力电池内部温差≤2 ℃；（4）测试要求：测试过程车上用电器正常使用，电池管理系统按设定的低温控制策略完成对电池模组加热膜加热功能启动与停止的控制。测试速度要求高速公路工况平均速度不低于80 km•h-1，市郊路况平均速度不低于40 km•h-1。单次行驶消耗电量≥50%后，立即对车辆进行充电，要求充电桩功率≥70 kW，车辆仪表显示充电电量大于50%时则停止充电，按前述要求继续开展在高速公路与市郊公路之间的行车测试，按该测试工况进行多次循环，直至车辆的行驶里程达到1000 km或者车辆仪表上的动力电池包故障灯点亮，通过工具读取故障类型为动力电池内部温差达到电池管理系统设定的动力电池温差保护阈值、导致动力电池发出温差故障告警时停止测试。本次试验设定温差保护阈值为12 ℃。

1.2 测试数据采集与分析

首次试验经过3次充放电循环，持续行驶里程为683 km，在第3次充电结束，开展第4次充放电循环时，在车辆行驶过程中，仪表动力电池故障灯点亮，读取动力电池内部温差数据，确认达到测试结束条件。

测试数据如表1所示。

表1 首轮测试数据

根据数据可知，循环测试起始，动力电池按加热策略进行加热，车辆行驶过程中，电池包同时放电，电池自身同时产生热量，在第一次行驶结束后，温差已到达6 ℃，并且伴随着车辆的持续使用，动力电池内部的温差将呈现持续上升趋势。根据以上前三次循环温度数据可知，在车辆停止行驶，电池包在充电阶段，温差趋于减小，温差增大主要在动力电池放电阶段、车辆行驶过程发生。且在第二、三次循环过程中，温差的增加量有明显的减缓趋势。

通过工具读取动力电池内部完整温度数据，整理测试起始以及测试停止时、动力电池内部模组的温度情况如图，图2为测试起始，车辆经过长时间静置，动力电池温度降低至与环境温度差异在±2 ℃以内，并且动力电池内部模组的温差最小；图3为测试停止时动力电池内部模组的温度示意图，此时经过3轮充放电循环，在第4次放电、车辆行驶过程中，温差达到触发动力电池管理系统设定的保护参数：12 ℃。

图2 测试起始动力电池模组温度示意图

图3 测试停止动力电池模组温度示意图

根据对测试全过程各个位置模组温度进行采集及分析：最高温度出现在动力电池上层模组的中间位置，触发温差报警时，电池最高温度为28 ℃；最低温度出现在动力电池下层结构的两侧模组，最低温度为16 ℃，通过对全过程数据的进一步分析可知，动力电池下层模组温度普遍低于上层模组温度。结合动力电池内部模组的排布结构、以及动力电池在车辆上的布置结构进行分析，推测出现该现象的原因为：

（1）电池包热量的聚集作用。动力电池内部模组采用上下层布置结构，在低温条件下，加热膜对模组开始进行加热，同时电池充放电过程中，由于电池本身存在内阻，自身同时发热，电池温度快速上升，下层模组产生的热量向上层空间聚集。因此对比下层模组，上层模组能够获取的热量更多，上层模组升温更快。

（2）下层模组热量散失较快。通过电池包结构可知：上层电池模组通过支架固定，支架再与电池箱体连接紧固，上层模组未与箱体直接接触，下层模组直接固定于箱体上，与下箱体直接接触，下层模组产生的热量通过箱体传导，热量散失速率较上层模组快。另外，通过动力电池系统安装于车体上的结构分析，车辆行驶过程中，动力电池上方紧贴车体，气流主要从动力电池底部流动，使得动力电池下层模组热量散失速率进一步加快。综合以上两点所述，在低温条件下，下层模组受外界低温环境影响，热量散失较快，故造成该区域的电池温度较低。

2 对策分析与实施

根据上述讨论的，可能导致动力电池模组出现较大温度差异的原因，主要为热量传导，因此此次对策制定，主要针对阻隔热量传导的方向开展。具体对策如下。

（1）下层模组热量向上聚集，导致上层模组温度比下层高，通过增加上层模组和下层模组间隙，并通过设置隔热结构，减少热量堆积和延缓热量向上聚集的速率，对策示意图如4所示。

图4 上下层模组隔热结构示意图

（2）下层模组与电池箱体直接接触，热量散失速率较上层模组更快，通过延缓散热速率的角度，对下箱体外部增设保温结构，如图5所示。

图5 动力电池下箱体保温结构示意图

3 对策实施验证

3.1 测试条件制定

测试条件参考本文“1.1”节，行驶里程与工况基本与本文“1.2”节保持一致。

3.2 测试数据分析

实施隔热改善措施后，新一轮测试数据如表2所示。

表2 第二轮测试数据

根据数据可知，通过在上下层模组之间设置隔热结构、同时对下箱体增设保温结构，对低温环境下，采用加热膜加热的双层模组结构电池包温差起到一定程度的抑制扩大作用。但根据温差变化的情况可知，每新增一次循环充放电，温差扩大的趋势越来越明显。这是由于隔热结构和保温结构无法完全有效阻断热量，在低温环境下，持续地按研究工况使用车辆，最终温差会达到触发动力电池管理系统设定的保护参数。

4 结论

本文以采用加热膜加热的双层结构的动力电池包为研究对象，通过实车搭载测试获取数据并对温差数据进行分析，进而提出改善温差问题的结构改进。研究表明：通过在上下层模组之间增加隔热结构、同时对下箱体增加保温层措施后，在低温环境下，车辆在相同的行驶工况下，动力电池温差从12 ℃降低到11 ℃，这说明该结构改进对电池包温差起到一定的改善作用，但是在结构布局中，由于上下层模组之间增加隔热结构，电池包高度增加，电池结构需重新开发，以保证结构的稳定及可靠性。另外下箱体外部保温层的使用增加了电池成本，同时根据温差变化趋势分析，隔热结构和保温结构主要起延缓温差放大的效果，无法有效根绝温差过大问题发生，随着充放电次数的增加，电池包温差值仍会达到温差报警阈值，以上措施非最优方案。

为进一步改善低温环境下双层模组动力电池的温差问题，后续工作重点方向考虑从以下方面进行研究。

（1）加热膜功率的选配。通过整车测试获得的温度数据可知，电池温度较高的区域集中在上层模组的中间区域，温度较低模组分布在电池包的两侧边缘位置，故考虑通过降低高温区域电池模组的加热膜功率，提升低温区域电池模组的加热膜功率，在电池的热量产生过程中，平衡外部加热膜带来的热量。

（2）加热策略调整。在现有的加热策略中，增加对温差的控制。例如，可设定电池加热开启或关闭的温差阈值，当温差达到设定的阈值时，加热关闭；待温度差异性减小至某一设定值时，可再次开启加热，此方法理论上可改善电池各个区域的温度差异性，但具体效果仍需展开进一步实际验证。

（3）改变下层模组安装结构，避免与下箱体直接接触。通过电池包结构可知，下层电池模组与下箱体为直接接触式固定连接，在外部低温环境下，热量通过下箱体散失较快，下层模组的温度降低速率较快，故可在下层模组安装结构中，对箱体结构调整，做隔绝式设计改善，避免下层电池模组与下箱体的直接接触，通过调整物理结构，以延缓热量的传递。

以上主要考虑通过电池热量产生的差异性分布改善、热量累积的平衡、热量传递的延缓三个方面进行研究，后续动力电池热管理系统的开发，可在上述三个方面展开设计与研究。

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Study on Cryogenic Property of Power Battery with Bilayer Structure

In order to verify the thermal management performance of its power battery under low temperature environment, the bilayer structure power battery heated by heating film is taken as the research object in this paper. By formulating test conditions and carrying out tests on real vehicles, the temperature difference of modules at different positions in the power battery pack is analyzed by collecting various data of modules inside the power battery pack, in order to obtain the thermal management state of this type of battery pack at low temperature and the purpose of corresponding optimization measures.

bilayer structure; power battery; cryogenic property

M91

A

1008-1151(2022)11-0057-04

2022-08-12

蒋中洲（1995－），男，东风柳州汽车有限公司助理工程师，研究方向为汽车制造业。