電池熱管理對城市客車能耗的影響

翁景堅，王曉慧，楊向前

（1. 浙江工貿職業技術學院，浙江 溫州 325003；2. 溫州交運集團，浙江 溫州 325000）

0 引言

近些年，純電動城市客車得到了快速的發展。純電動客車的動力來源于蓄電池，因此其整車性能受動力蓄電池的影響非常大。動力蓄電池對工作溫度的要求較高：當工作溫度過低時，電化學反應速率下降，內阻增大，導致電池充、放電效率降低，同時整車的能耗增加[1]；工作溫度過高會引起電池內部電解液分解和活性物質發生不可逆的化學反應，嚴重高溫時會使電池冒煙、起火燃燒甚至爆炸[2]。因此，為了把蓄電池的工作溫度限制在一個理想的范圍內（20～45 ℃），并且最好將溫差控制在 5 ℃以下，電池熱管理技術在城市客車上的應用越來越廣泛。該技術不僅保證了電池擁有良好使用性能，而且能夠減緩電池的衰減，但是需要額外配套增加電池冷卻系統。

目前，純電動汽車電池的冷卻方式主要有風冷、液冷，以及相變材料（簡稱 PCM）的使用等。由于風冷效果欠佳，而且使用相變材料會增大電池系統的質量，現今在中國南方地區的城市客車大多采用液冷技術。但是，電池液冷系統的存在導致用戶的購車成本增加。同時，在車輛營運過程中由于電池液冷系統導致能耗增加，車輛的營運成本也增加了。本文中，筆者統計分析了某地區同一時間段內城市公交在路程相同的條件下的能耗情況，用以了解電池液冷系統在整車生命周期內對整車的成本影響。

1 電池熱管理系統

1.1 單體電池的產熱機理

鋰離子電池有 2 種熱源，即可逆熱源和不可逆熱源[3]。圓柱型鋰離子電池的三維瞬態傳熱數學模型[4]為

式（1）中：ρb—電池的密度；cb—電池的比熱容；T—電池的熱力學溫度；λ—電池的導熱系數；r—電池的半徑；φ—電池的圓周角；l—電池的長度；Qg—電池內部單位體積的熱生成率；t—時間。

1.2 電池熱管理的重要性

以鋰離子電池為例，電池的工作溫度不僅受環境溫度的影響，還受其自身充放電過程中放熱量的影響。電池的發熱量主要由以下幾個部分組成：

式（2）中各參數如下：Qb為電池的發熱量；Qr為化學反應熱；Qp為極化反應熱；Qs為副反應熱；Qj為焦耳熱。

結合相關文獻[4-5]以及不同條件下鋰電池的性能測試結果，得到鋰電池的工作特性如圖1所示：當工作溫度處于 0～10 ℃ 范圍內時，鋰電池的容量衰減，功率性能下降，甚至在低溫充電時會出現析鋰現象；工作溫度處于 20～35 ℃ 范圍內最佳；當工作溫度處于 35～45 ℃ 范圍內時，鋰電池自放電的風險增加；當工作溫度處于 45～65 ℃ 范圍內時，鋰電池的不可逆反應加劇?？偟膩碚f，35 ℃以上的高溫會導致鋰電池內部副反應增多，影響電池的可用容量，同時加速鋰電池老化，降低電池壽命和效率。嚴重高溫甚至會導致電池失效，出現如冒煙、起火、爆炸等危險。

圖1 鋰電池的工作特性

由于鋰電池對工作溫度的要求嚴苛，為了保證車輛在運營過程中的安全，在電池管理策略上對不同溫度不同荷電狀態（簡稱 SoC）下的充放電能力進行了限制。圖2 為某品牌鋰電池組在不同條件下的控制保護策略。當鋰電池的工作溫度過低或者過高時，出于保護目的，會對鋰電池組的充放電電流進行限制，但是這將影響純電動城市客車在運營過程中的制動能量回收能力，使得車輛的運營能耗增加，不但減少了車輛的續駛里程，而且增加了運營成本。因此，電池冷卻系統的應用有利于電池發揮良好的性能，從而提高整車性能，降低運營能耗。

圖2 某品牌鋰電池組的回充電流限值

2 電池的冷卻方式

純電動汽車電池的冷卻方式主要有風冷、液冷，以及相變材料的使用等。

2.1 風冷技術

風冷的原理是利用空氣的流動，通過換熱的形式帶走電池放出的熱量。風冷包含自然風冷和強制風冷[6]。自然風冷是指利用空氣的自然流動來達到散熱的目的。強制風冷是指利用風扇或專門設計的風管在特定空間內形成相應的氣流，以達到散熱的目的。由于效果欠佳，風冷技術更適合在中國北方等夏天環境溫度較低的地區配套使用。

2.2 相變材料冷卻技術

根據材料組成，相變材料可以分為無機相變材料、有機相變材料、復合相變材料等。無機相變材料主要有石墨、熔融鹽、結晶水等。無機相變材料的優點是相變焓高，且熱導率高，但是過冷度也較高，而且熱穩定性差。有機相變材料，如石蠟、醋酸等，具有無腐蝕性，過冷度低，化學穩定性好等特點。復合相變材料是將有機材料和無機材料復合在一起使用，各取所長。相比之下，復合相變材料對鋰電池的熱管理有更好的效果。

相變材料冷卻的原理是利用相變材料的潛熱對電池進行冷卻。一般情況下，相變材料直接與電池單體接觸。常溫下相變材料通常為液態。相變材料在液態、固態、汽態之間轉變時會吸收（或釋放）大量的熱，而溫度基本保持不變。相變材料導熱和吸熱性能顯著，所以當電池組內部某個單體電池的溫度超過正常工作溫度范圍時，其熱量能夠迅速傳遞，使單體電池間溫度基本一致。如此往復循環，實現對電池的冷卻。然而，由于相變材料的導熱系數小，額外使用相變材料將會增大電池系統的質量，以及不便于后期維護，所以目前相變材料冷卻技術不易實現產業化。

2.3 液冷技術

液體冷卻是指電池模塊可以用液體冷卻介質，如水、礦物油、乙二醇、電介質等，進行冷卻[7]。一般選用導熱系數較高的傳熱工質，通過直接接觸或者間接接觸的方式實現換熱，達到冷卻的效果。由于液體冷卻具有較高的換熱系數，與空氣冷卻系統或 PCM 冷卻系統相比，液體冷卻系統可提供較好的熱交換能力。而且，液冷系統便于制作裝配和后期維護。目前，在純電動汽車上液體冷卻系統的應用逐漸增加。圖3 中介紹的鋰電池液體冷卻系統的電氣連接方案為：① 整車冷卻機組的高壓取電至電池包高壓箱；② 整車冷卻機組內部進行變壓配電（壓縮機、水泵、風機閥和控制器等）；③整車冷卻機組制冷和待機狀態由電池管理系統（簡稱 BMS）處理器控制。

圖3 鋰電池液體冷卻系統架構圖[5]

2.4 電池冷卻方式性能對比

目前，表1 所列的冷卻方式在市場上應用較為廣泛，且各有優勢。其中，自然風冷在溫度均勻性、能耗和成本方面是最有優勢的，但是在散熱效率、環境適應性和高溫高寒的兼顧性上則比較差。雖然強制風冷的散熱效率稍好一點，但是其復雜程度和能耗較高。液冷的能耗和成本也比較高，但是其散熱效率、環境適應性和高溫高寒的兼顧性都要優于風冷。從對比結果可知，風冷的痛點在于保溫與散熱難以兼顧，受環境溫度影響大，且高溫冷卻效果不佳，因此不適用于中國南方大部分地區。電池液冷方式受益于其冷卻效果好及方便維護的優點，逐漸的被市場認可。

表1 電池冷卻方式性能的評價表

3 冷卻方式對能耗的影響

選擇某品牌的一款城市客車作為實驗對象，對比自然風冷與液冷對整車能耗的影響。車型參數為：車身長 12 m；滿載質量為 18 t；配電量為 256 kW·h。運營路線和運營工況與車輛基本情況相當，所有運營路線的全程平均車速為 19 km/h。本次共抽取了6 組車輛為樣本。在 8月1日～8月20日之間 6 組車輛都未屏蔽電池液冷系統，而第1 組和第4 組車輛在 8月21日～8月27日之間屏蔽了電池液冷系統。在整個實驗過程中 6 組車輛的空調都處于開啟狀態。最后，調取從 8月1日～8月29日所有車輛每日的能耗情況，并通過計算得出兩個時段（即8月1日～8月20日和 8月21日～8月27日）的單日平均運營能耗。從圖4 可以得出，8月20日之前的平均能耗為 111 kW·h/100 km，比 8月20日之后的單日平均能耗 99 kW·h/100 km 要高出 10.8 %左右。

圖4 不同組別車輛 8月份單日平均運營能耗

3.1 溫度對能耗的影響

8月1日～8月20日環境溫度為 26～39 ℃，而 8月21日～8月27日環境溫度為 24～38 ℃。因為已計算出 8月20日之前的平均能耗為 111 kW·h/100 km，8月20日之后的單日平均能耗 99 kW·h/100 km，所以在 8月21日～8月27日之間溫度對整車能耗的影響大概為 10 % 左右。

3.2 屏蔽電池液冷后能耗分析

第1 組車輛在 8月1日～8月20日沒有屏蔽電池液冷系統期間的平均能耗為 110 kW·h/100 km，而在 8月21日～8月27日屏蔽液冷系統期間的平均能耗為 87 kW·h/100 km，即相對于屏蔽前，屏蔽后能耗減少約 20.9 %。第4 組車輛在 8月1日～8月20日沒有屏蔽電池液冷系統期間的平均能耗為113 kW·h/100 km，而在 8月21日～8月27日屏蔽液冷系統期間的平均能耗為 94 kW·h/100 km，即相對于屏蔽前，屏蔽后能耗減少約 16.8 %。

3.3 單組車輛有無屏蔽液冷能耗分析

調取第4 組車輛（已屏蔽電池液冷系統）和第2 組車輛（未屏蔽電池液冷系統）車輛在 8月21日～8月27日期間能耗數據進行對比?？梢园l現，在相同時間段內環境溫度為 24～38 ℃ 的條件下屏蔽了電池液冷系統的第4 組車輛的整車能耗為 91 kW·h/100 km，比第2 組車輛的整車能耗（101 kW·h/100 km）降低了 9.9 %。

3.4 小結

通過以上匯總分析可以得出：以 8月21日為分界點，由環境溫度變化導致平均整車能耗存在 11 %左右的差異；以 8月21日為分界點，第1 組和第4 組車輛在屏蔽電池液冷系統前后平均整車能耗存在 19 % 左右的差異；8月21日后有、無屏蔽液冷機組車輛的平均能耗存在 10 % 左右的差異。因此，在初步剔除環境溫度變化對整車能耗的影響之后，在夏天電池液冷系統對整車能耗的影響大約為 9 %。

4 結論

冷卻系統能夠讓電池工作一個合理的溫度范圍內，以便于其較好地發揮自身性能，有益于降低車輛能耗，所以電池冷卻系統在整車上的應用將會越來越廣泛。但是，相比于現階段電池自然風冷系統，電池液冷系統在夏天的電量消耗較高，二者之間的電耗差異大約為 9 % 左右。雖然在城市客車 8 a 生命周期內電池液冷系統可使電池的衰減率降低 10 %，但是由于電池液冷系統在夏天使整車能耗增加，導致車輛的續駛里程與搭配自然風冷系統的車輛并無明顯差異，反而增加了車輛的購車成本以及后續的維修保養成本。