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解密一项巧妙的电池热管理技术--电机堵转充电热管理策略

2021-10-13 22:23:23·  来源:AUTO行家  
 
与传统燃油车相比, 电动汽车动力系统的改变对其整车热管理提出了新的要求:1)无发动机余热可用,热管理系统需具备加热功能;2)动力电池的运行温度直接影响其
与传统燃油车相比, 电动汽车动力系统的改变对其整车热管理提出了新的要求:
1)无发动机余热可用,热管理系统需具备加热功能;
2)动力电池的运行温度直接影响其输出功率, 同时为保证动力电池安全运行, 动力电池的温度控制是热管理系统的重要内容;
3)电机和电机控制器的可靠运行需要有效冷却。
整车热管理系统主要包括:动力电池热管理、动力系统热管理和乘员舱热管理。
热管理架构对比
目前主流的热管理系统是将动力电池和动力系统分开进行管理, 而动力电池加热一般采用 PTC 加热冷却液制热,制热最大功率一般在 7-8kW,如图 1某车型热管理架构和图 2 PTC 制热功率所示。为了充分利用电机余热, 部分车型在保持原有PTC加热的同时将电机余热利用起来加热动力电池,电机余热回收等效功率最大约 3kW。如图 3某车型热管理架构和图 4 电机余热回收等效功率

图 1 某车型热管理架构

图 2 PTC 制热功率

图 3 某车型热管理架构
图 4 电机余热回收等效功率。
热管理核心部件
某车型直接省略电池 PTC, 采用电机堵转和电机控制器发热来给电池包加热。同时将动力电池和动力系统联合起来进行统一管理。
该车型热管理的第一个核心部件见图 5。

图 5 冷却罐集成 2 个水泵,1 个热交换器,1 个控制阀
该冷却罐上集成 2个水泵 (电池水泵和电机水泵)、1个热交换器(电池冷却)和 1个控制阀(改变冷却回路流向),共 5个管路流向。包括:电池包进出水管路、电机进水管路、电机出水管路(与散热器入水管路共用,通过电磁阀控制)和散热器出水管路。该部件的核心是通过改变控制阀角度来实现改变动力电池回路和动力系统回路流向。
第二个核心部件是电机和电机控制器。车辆静止时,通过对电机定子持续通电流,转子不旋转,电机不输出电磁转矩,定子充当发热绕组将持续发热, 以达到升温和加热回路的目的。
为了对热管理控制策略进行分析, 设置了充电测试方案。
试验测试
为了研究该车型动力电池和动力系统的热管理策略,对其热管理系统架构进行分析,加装关键部件的温度传感器、电流传感器、电压传感器、流量传感器和压力传感器。绘制热管理系统传感器安装点示意图(图 6)。

图 6 热管理系统传感器安装点示意图
部分传感器信号列表如表 1。
表1 传感器信号列表
序号
信号
注释
1
BattCellTempMin
电芯单体最低温度
2
BattCellTempMax
电芯单体最高温度
3
Bat_Input_Tem
电池包进水温度
4
Bat_Output_Tem2
电池包出水温度 2
5
VAL_To_Batt
阀至电池温度
6
Batt_To_VAL
电池至阀温度
7
VCFRONT_coolantFlowBatActual
电池冷却流量
8
VCFRONT_coolantFlowBatTarget
电池目标冷却流量
9
Ra_Input_Tem
散热器进水温度
10
Ra_Output_Tem
散热器出水温度
11
RearTempInverter
逆变器温度


表1 传感器信号列表(续)
序号
信号
注释
12
INV_Oil_In_Tem
电机油冷器进水温度
13
INV_Oil_Out_Tem
电机油冷器出水温度
14
Mot_To_VAL
电机至阀温度
15
VAL_To_Mot
阀至电机温度
16
VCFRONT_coolantFlowPTActual
动力总成冷却流量
17
VCFRONT_coolantFlowPTTarget
动力总成目标冷却流量
18
Chiller_In_Tem
Chiller 进口管壁温度
19
Chiller_Out_Tem
Chiller 出口管壁温度
20
VCLEFT_hvacBlowerRPMActual
鼓风机转速
21
VCLEFT_hvacBlowerRPMTarget
鼓风机目标转速
22
Comp_Curr
空调压缩机电流
23
Fan_Curr
风扇电流

设置快充测试方案,见表 2。
表2 快充测试方案
序号
环境温度
充电方式
1
23℃
快充
2
45℃
快充
3
-10℃
快充
4
23℃
超级快充

测试结果
常温快充
充电初期:
电机逆变器温度从 18.0℃逐渐升高至 37.0℃,电机油冷器温度从 19.0℃逐渐升高 37.0℃。散热器入口温度维持在 18.0℃, 出口温度从 18.4℃逐渐升高至
33.0℃,较电机回路温度低。图 7所示为常温快充充电初期动力系统热管理。

图 7 常温快充充电初期动力系统热管理
动力电池回路温度和电机回路温度一致。电芯在充电时自发热,电芯出水温度略高于进水温度。图8 为常温快充充电初期动力电池热管理。

图 8 常温快充充电初期动力电池热管理

图 9 动力系统和动力电池串联制热示意图
在 916s 时, 散热器进水温度从 17.5℃跳变到38.0℃,散热器出水温度从 34.0℃突然下跌到 23.0℃ 后又跳变到 36.0℃。在 1007s时,阀至电机 40.7℃,经逆变器 39.0℃,电机油冷器进出水温度分别 40.4℃、39.6℃, 到阀38.1℃,散热器进出水温度分别 39.4℃、38.8℃,散热器回路导通,电机至阀一路未导通,电机出水流经散热器后继续经过 penthouse,到逆变器,形成回路,动力系统温度缓慢降低。图 10 为常温快充充电中期动力系统热管理。

图 10 常温快充充电中期动力系统热管理
该车无电池包 PTC, 通过电机堵转和电机定子通电共同制热加热冷却液。由此可见,此时动力电池回路和动力系统回路串联,散热器回路未接通。图 9 为动力系统和动力电池串联制热示意图。
充电中期:
在 1007s 时, 电池包出水温度和电池包至阀温度一致在 40.0℃左右;电池包进水温度和阀至电池包温度一致在 39.0℃左右,此路导通。图 11 为常温快充充电中期动力电池热管理。

图 11 常温快充充电中期动力电池热管理
在 900s 时,chiller 进水管壁温度出现降低,是由于之前开空调乘员舱有制冷需求, 制冷需要一定的过程,chiller 进水管壁靠近乘员舱制冷剂回路导致温度降低缓慢,此时已关闭空调;chiller 出口管壁未受到影响。图 12 为常温快充充电中期机舱热管理。

图 12 常温快充充电中期机舱热管理
动力系统冷却回路和动力电池冷却回路分开, 但动力电池回路并未开启制冷, 由此可推测是为了保护动力系统电机温度(此处未测量)。图 13 为动力系统和动力电池分开冷却示意图。
充电后期:
动力系统回路和电池包回路再次经历串联和独立工作两个模式。动力系统继续制热加热电池包回路,期间改变模式是为了降低电机温度。

图 13 动力系统和动力电池分开冷却示意图
高温快充
充电初期,第 510s开始高温充电,至 767s期间:散热器进水温度从 43.0℃升高至 44.8℃,出水温度从 43.0℃升高至 45.2℃;逆变器温度维持在 42.0℃;
油冷器入口温度从 42.1℃升高至 44.6℃,出水温度维持在 43.8℃;阀至电机的温度维持在 42.8℃;电机至阀的温度从 41.8℃上升至 43.4℃;动力水泵流量从6L/min上升到 14.3L/min;期间风扇一直开启。由于环境温度维持在 45.0℃,开启风扇并没有降低散热器回路温度, 反而在空调压缩机的作用下温度略有上升。图 14为高温快充充电初期动力系统热管理。

图 14 高温快充充电初期动力系统热管理
电池包自发热, 电芯单体最高温度从 43.5℃上升至 47.0℃ ;电池包进水温度从 43.4℃ 降低 至35.7℃,和阀至电池包的温度保持一致;电池包出水
温度从 42.7℃ 降低至 42.1℃ , 期间最高上升 到45.0℃,和电池包至阀温度保持一致;电池包水泵流量从 6L/min 上升到 14.3L/min。图 15 为高温快充充电初期电池包热管理。

图 15 高温快充充电初期电池包热管理
空调压缩机从第 578s 开启电池包冷却,此时无乘员舱制冷需求;chiller 出口的冷却液温度从 43.7℃降低至 21.7℃。图 16 为高温快充充电初期机舱热管理。

图 16 高温快充充电初期机舱热管理
动力系统回路和电池包回路独立进行冷却。充电中期,从 767s 至 800s:
动力系统各部件温度有小幅度降低。散热器进水温度从 44.8℃跳变至 47.3℃, 而后逐渐升高至49.0℃, 出水温度从 45.2℃跳变至 42.0℃;逆变器温度维持在 42.0℃(该温度不敏感);油冷器入口温度从 44.7℃跳变至 42.4℃, 出水温度从 45.0℃跳变至41.8℃;阀至电机的温度从 42.9℃跳变至 41.5℃;电机至阀的温度从 44.0℃跳变至 40.6℃;动力水泵流量从 14.3L/min上升到 18.4L/min;期间风扇一直开启。图 17 为高温快充充电中期动力系统热管理。

图 17 高温快充充电中期动力系统热管理
动力电池各部件温度有小幅度升高。电芯单体最高温度从 47.0℃上升至 47.5℃;chiller出口的冷却液温度从 21.4℃跳转至 24.4℃;电池包进水温度从 35.4℃跳转至 36.9℃,和阀至电池包的温度保持一致;电池包出水温度从42.5℃降低至 41.3℃,和电池包至阀温度保持一致;电池包水泵流量从 14.3L/min上升到 18.4L/min。图 18 为高温快充充电中期电池包热管理。

图 18 高温快充充电中期电池包热管理
散热器回路关闭, 电池包冷却回路和动力系统回路串联,由 Chiller 统一进行冷却。
充电过程,开启和关闭乘员舱制冷,对动力系统冷却和动力电池冷却有影响。
4.3 低温快充
充电初期,第 259s 开始低温插枪充电,至 2634s开始有充电电流:
逆变器温度从-12.0℃逐渐上升到 5.0℃;油冷器入口温度从-11.2℃升高至 5.8℃,出水温度从-10.3℃ 升高至 9.3℃ ;阀至电机的温度从-11.3℃ 升高至
4.5℃;电机至阀的温度从-11.3℃上升至 7.5℃;动力水泵流量从 6L/min 上升到 12.3L/min。图 19 为低温快充充电初期动力系统热管理。

图 19 低温快充充电初期动力系统热管理
电芯单体最高温度从-10.5℃上升至 3.0℃;电池包进水温度从-11.1℃上升至 6.7℃,和阀至电池包的温度保持一致;电池包出水温度从-11.2℃上升至
4.6℃,和电池包至阀温度保持一致;电池包水泵流量从 6L/min 上升到 12.3L/min。图 20 为低温快充充电初期动力电池热管理。电池包回路和动力系统回路串联 依靠逆变器和电机共同制热来加热电池包, 至单体电芯温度
3.0℃开始有充电电流。
充电中期, 动力系统和电池包冷却回路连续 4次串联和独立冷却切换,其目的是为了给电机降温。低温充电过程中,后电机堵转最大功率 3.5kW,

图 20 低温快充充电初期动力电池热管理
电芯温度逐渐升高,至 45℃左右停止堵转加热[4]。图21 为低温充电后电机堵转功率和电芯温度。

图 21 低温充电后电机堵转功率和电芯温度
4.4 常温超级快充
充电初期,第 58s 开始插枪充电,至 585s:散热器进水温度从 25.5℃上升到 28.1℃,出水温度从 25.3℃上升到 37.4℃;逆变器温度从 25.0℃逐渐上升到 31.0℃维持不变(该温度异常);油冷器入口温度从 25.5℃升高至 39.6℃,出水温度从 25.5℃升高至 39.6℃;阀至电机的温度从 25.4℃升高至 40.4℃;电机至阀的温度从 25.5℃上升至 39.2℃。在第 290s 之前,油冷器出水温均大于电机至阀的温度,由此可见在此之前动力系统在进行加热。图 22 为常温超级快充充电初期动力系统热管理。

图 22 常温超级快充充电初期动力系统热管理
电芯单体最高温度从 26.0℃上升至 42.0℃;电池包进水温度从 25.7℃上升至 38.5℃,和阀至电池包的温度保持一致;电池包出水温度从 25.5℃上升至
40.8℃,和电池包至阀温度保持一致。图 23为常温超
级快充充电初期动力电池热管理。

图 23 常温超级快充充电初期动力电池热管理
动力系统回路和动力电池回路串联, 通过动力系统制热加热动力电池回路温度。
充电中期,随着电芯温度逐渐升高,动力系统退出制热,和动力电池回路切换至独立冷却模式。
根据 4 种充电测试方案, 得到基于电机堵转的充电热管理阀值如下:
加热开启阀值:单体电芯温度在处于-11.5℃———26.0℃,实际温度区间应该更广泛,此时电池包回路和动力系统回路串联。
加热停止阀值:
1)达到电机保护温度:该温度未测量,结果从反复切换串并联模式, 逆变器温度和油冷器温度反复加热、降温可以得出;
2)达到电芯保护温度:45.0℃-47.0℃,低温充电时,加热到电芯温度 45.0℃仍未开启电池包制冷,在超充时达到 45.0℃-47.0℃开启制冷。
制冷开启阀值:
1)达到电机保护温度,切换独立冷却回路,电池包未开启制冷;
2)达到电芯保护温度:≥43.5℃,开启电池包制冷,切换独立冷却回路;
3)同时达到动力系统保护温度,此温度不明确, 切换串联回路,共同给电池包和动力系统冷却。
制冷停止阀值:≤43.5℃,电池包制冷停止。
总结
1)省去了电池 PTC,通过电机堵转和电机控制器共同制热来加热电池包, 需要更为精确的电机矢量控制技术,最大发热功率 3.5kW,电机定子最高温度可达到 95℃。
2)充电时,加热停止阀值较制冷开始阀值更高,其原因是考虑了环境温度。
3)尚未研究驱动状态的热管理策略,但行驶过程将充分利用电机的余热来快速将动力电池加热到最佳工作温度,以达到节能的作用。
4)本次测试, 电机堵转无扭矩输出, 亦未对MCU 端电流进行测量,无法实时获得实际堵转功率。
5)热管理核心部件具有集成度高,体积小、质量轻;降低了组装成本,减少了装配时间和劳动力;同时具备 OTA升级潜力等诸多优势。
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