陳正東 于翔 王文葵 趙文天 李保權(quán)

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

48 V輕混系統(tǒng)以其低成本和相對較高的節(jié)油性受到關(guān)注[1]。該系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制帶傳動一體化起動/發(fā)電機（Belt-driven Starter Generator，BSG）及電池的輸出，使起停響應(yīng)更快速、更平順，通過優(yōu)化發(fā)動機工作區(qū)域增加有效功率輸出，并在整車滑行和制動時進行能量回收，可有效降低整車油耗10%[2]并顯著提高整車駕駛性和動力性。

48 V動力鋰電池的使用性能受溫度影響很大。當電池溫度超出其最佳工作溫度區(qū)間（20~40℃）時[3]，充放電效率隨之降低，系統(tǒng)輔助效果受限；當電池溫度進一步延伸至高、低溫限值時，考慮到電池的壽命與安全性，系統(tǒng)會對充放電功率進行限制，甚至直接斷開系統(tǒng)繼電器，使動力系統(tǒng)輔助功能中斷，同時節(jié)油功能消失。因此，研究48 V電池熱管理性能試驗方法，明確不同溫度對該系統(tǒng)的影響具有重要意義。

本文通過研究48 V動力電池在不同試驗條件下的熱管理性能對48 V輕混系統(tǒng)功能的影響，制定48 V電池熱管理性能的有效驗證方法，為48 V輕混系統(tǒng)車型的開發(fā)提供保障。

2 48 V輕混系統(tǒng)及熱管理性能

2.1 48 V輕混系統(tǒng)

目前，48 V輕混系統(tǒng)主要分為BSG與集成式智能起動/發(fā)電一體化電機（Integrated Starter Generator，ISG）2種布局方案，考慮到成本、傳統(tǒng)總成的通用性、平臺化和整車搭載性等方面的因素，目前大多采用BSG方案。典型的P0級架構(gòu)BSG輕混系統(tǒng)布置方案如圖1所示，系統(tǒng)主要部件包括48 V電機、48 V動力電池、DC/DC控制器、12 V蓄電池。其中，48 V電機兼具起動、加速輔助、行車發(fā)電、能量回收等功能，48 V電池負責為整個系統(tǒng)存儲和提供能量，DC/DC控制器將48 V系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換成12 V為整車用電器供電和為12 V電池充電。

圖1 P0級48 V輕混系統(tǒng)布置方案

2.2 48 V系統(tǒng)熱管理性能

本文以某款搭載P0級48 V輕混系統(tǒng)的車型為研究對象，該款車型的48 V系統(tǒng)整車布置結(jié)構(gòu)如圖2所示，48 V電池布置在備胎艙內(nèi)的后排座椅右下方，未設(shè)計專門的熱管理系統(tǒng)，依靠乘員艙和備胎艙內(nèi)的循環(huán)風(fēng)被動冷卻。由此可知，電池的溫度變化不受外部熱源影響，主要由電池充放電時電極和內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量以及電池與周圍空氣的對流換熱決定。電池生熱、電池溫升、對流換熱基本原理公式[4-5]為：

圖2 某車型48 V系統(tǒng)整車布置方案

式中，Q1為電池產(chǎn)生的熱量；Q為化學(xué)反應(yīng)過程正、負極產(chǎn)熱量的代數(shù)和；I為電池充、放電電流；R為電池內(nèi)阻；t為電池充、放電時長；Q2為電池吸收的熱量；c為電池的比熱容；m為電池的質(zhì)量；T1為電池初始溫度；T2為電池結(jié)束溫度；Φ為電池與周圍空氣對流換熱量；h為對流換熱系數(shù)；A為對流換熱面積；tw為固體（電池）溫度；tf為流體（周圍空氣）溫度。

從能量守恒角度出發(fā)，電池所產(chǎn)生的熱量一部分被其自身吸收，其余均通過與周圍空氣對流換熱釋放。因此，車輛運行后，48 V系統(tǒng)開始工作，動力電池頻繁充、放電產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電池溫度不斷上升，假設(shè)在車輛開始運行的一段時間t1內(nèi)，電池溫度由T′1上升到T′2，充放電電流和電池溫度均隨時間變化，電池周圍環(huán)境溫度受空調(diào)影響保持穩(wěn)定。則存在如下關(guān)系：

由式（4）可知，電池溫度從T′1上升到T′2的時間段內(nèi)，電池吸收的能量為固定值。因此，電池的充、放電電流越大、充放電越頻繁，電池產(chǎn)生的熱量和對周圍環(huán)境散發(fā)的熱量就越多，溫度上升也越快。

當車輛在48 V系統(tǒng)的輔助工作下，行駛到48 V電池達到熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)時，如果車輛繼續(xù)行駛一段時間t2，電池的溫度將保持不變，即T′1=T′2，Q2=0。存在如下關(guān)系：

由式（5）可知，電池達到熱平衡狀態(tài)后，平衡溫度tw取決于電池的當前充、放電電流。

電池的溫升速率和到達熱平衡狀態(tài)時的溫度均與電池的充、放電電流相關(guān)，通過試驗手段制定能夠使48 V系統(tǒng)以較高的充、放電電流頻繁參與整車輔助功能的試驗工況，探究其對電池溫升速率和電池平衡溫度的影響，對48 V電池的熱管理有重要意義。

考慮到電池充放電性能、壽命及安全性方面的因素[6]，針對圖2所示車型48 V電池設(shè)定的溫度策略包括：低于-15℃時，電池停止對外輸出電能；電池溫度在(65.0,68.8)℃范圍內(nèi)時，對電池進行充、放電功率限制；電池溫度達到68.8℃時，將電池充、放電功率限制為零，等待電池溫度下降，而后恢復(fù)功率；電池溫度在(68.8,72)℃范圍內(nèi)時，主動請求斷開繼電器；電池溫度達到74℃時，直接斷開繼電器。以上策略的溫度分界點是結(jié)合該款車型搭載的48 V電池的臺架試驗數(shù)據(jù)所制定的，?15℃的低溫分界點是考慮低溫條件下電池充、放電效率低以及對電池壽命的影響設(shè)置的，65℃分界點是考慮高溫對該款電池充、放電效率和壽命的影響設(shè)置的，68.8℃的分界點是考慮該款車型在電池溫度大于68.8℃后電池安全性存在一定隱患制定的。電池在72℃和74℃時，隨著溫度的提高，電池的安全隱患逐級升高；這些溫度界限與電池本身的特性有關(guān)，且均指電池內(nèi)部模組的平均溫度，即48 V電池的平均溫度。

電池對外做功時的功率與電池充、放電電流之間存在如下關(guān)系：

式中，P為電池的充、放電功率；U為電池的電壓。

由式（6）可知，電池的充、放電電流不僅與電池溫度有關(guān)，而且直接影響48 V系統(tǒng)的對外輸出功率。

當電池達到熱平衡狀態(tài)時，電池的溫度是否超出電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）設(shè)定的溫度策略限值，對于48 V系統(tǒng)輔助功能非常重要，由式（5）可知，電池達到穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)后，若電池的充、放電電流穩(wěn)定，電池的溫度與電池周圍的空氣溫度成正比。電池周圍空氣溫度受整車行駛的環(huán)境溫度和空調(diào)模式直接影響。因此，通過試驗手段確認不同環(huán)境溫度和空調(diào)模式組合下電池的熱管理性能，以及環(huán)境溫度低于電池低溫限值-15℃時電池熱管理性能對整車48 V系統(tǒng)開發(fā)的環(huán)境適應(yīng)性有重要的指導(dǎo)意義。

3 電池熱管理試驗工況開發(fā)

在48 V系統(tǒng)整車設(shè)計開發(fā)中，電池的熱管理試驗工況應(yīng)從用戶的整車使用角度出發(fā)，試驗工況應(yīng)能夠全面覆蓋用戶工況。依據(jù)熱管理試驗經(jīng)驗，考核工況一般涵蓋3種類型：中大負荷的穩(wěn)態(tài)工況、大負荷的極限工況、正常行駛的瞬態(tài)工況。

3.1 中大負荷穩(wěn)態(tài)工況

依據(jù)GB/T 12542—2020《汽車熱平衡能力道路試驗方法》[7]，針對乘用車的中大負荷穩(wěn)態(tài)工況包括模擬山路爬坡工況和高速工況[8]，結(jié)合某企業(yè)關(guān)于考核乘用車零部件熱損害的試驗標準開展試驗。中大負荷穩(wěn)態(tài)工況分別為：低速爬坡工況，代表用戶在熱帶山區(qū)道路行駛，如海南山區(qū)道路；高速爬坡工況，代表用戶在熱帶丘陵地區(qū)道路行駛，如貴州、重慶等地區(qū)省道；高速工況，代表高溫地區(qū)用戶高速行駛工況，如夏季新疆高速公路。各工況的具體內(nèi)容如表1所示，各工況的環(huán)境條件如表2所示。

表1 試驗工況

表2 試驗環(huán)境溫度條件

在環(huán)境模擬試驗室按照表1和表2進行3種工況的試驗，測得48 V電池溫度、SOC及電流和電壓變化情況如圖3~圖5所示。試驗過程中，電池助力放電電流為負值，能量回收充電電流為正值，整車試驗過程中電池的電壓幾乎保持不變，由式（6）可知，電池的功率與電流成正比，因此，電流的變化趨勢也代表了電池做功的變化狀態(tài)。

圖3 低速爬坡工況試驗結(jié)果

圖5 高速工況試驗結(jié)果

由圖3可知：低速爬坡工況30 min內(nèi)48 V電池溫度上升了2℃，SOC連續(xù)上升了9百分點。電池充電（回收能量）最大功率為0.35kW，回收電量28.51W·h；對外輸出助力最大功率為0.17 kW，輸出電量3.97 W·h。由圖4可知：高速爬坡工況30 min內(nèi)48 V電池溫度上升了2℃，SOC連續(xù)上升了9百分點。電池充電最大功率為0.40 kW，回收電量25.9 W·h；對外輸出助力最大功率為0.18 kW，輸出電量3.58 W·h。由圖5可知：高速工況40 min內(nèi)48 V電池溫度上升了1℃，SOC連續(xù)上升了17百分點。電池充電最大功率為0.44 kW，回收電量50.5 W·h；對外輸出助力最大功率為0.18 kW，輸出電量3.02 W·h。由于圖3~圖5中大負荷穩(wěn)態(tài)工況下48 V電池充放電效率低，電池溫度上升幅度較小，且電池溫度為從整車動力CAN采集的電池平均溫度，該信號經(jīng)過整車的濾波處理，比較平滑圓整，沒有小范圍的波動，因此呈現(xiàn)出階梯型緩慢的上升趨勢。

圖4 高速爬坡工況試驗結(jié)果

3.2 大負荷極限使用工況

在用戶使用的大負荷極限工況中，瞬態(tài)全油門加速工況最具代表性，整個工況加速過程中節(jié)氣門全開，發(fā)動機對外輸出扭矩達到峰值380 N·m（5500 r/min），整車動力系統(tǒng)熱負荷處于極限狀態(tài)，對考核整車零部件的瞬時耐溫極限有重要的指導(dǎo)意義。參照GB/T 12543—2009《汽車加速性能試驗方法》[9]，在環(huán)境溫度25℃條件下的整車試驗場進行連續(xù)9次0~120 km/h全油門加速試驗。試驗過程車速和48 V電池功率如圖6所示，測得48 V電池溫度、SOC狀態(tài)及電流、電壓變化情況如圖7所示。電池能量回收功率為正，對外助力輸出功率為負。

由圖6、圖7可知，在434 s內(nèi)連續(xù)進行9次0~120 km/h全油門加速試驗，48 V電池溫度上升了1℃，SOC持續(xù)波動上升了25百分點。電池充電最大功率5.56 kW，回收電量126.9 W·h；對外輸出助力最大功率4.88 kW，輸出電量34.2 W·h。

圖6 全油門加速工況車速和電池功率變化過程

圖7 全油門加速工況電池參數(shù)試驗結(jié)果

3.3 正常行駛的瞬態(tài)工況

目前，行業(yè)內(nèi)針對用戶正常行駛的瞬態(tài)工況是新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）[10]工況和全球輕型汽車測試循環(huán)（World Light Vehicle Test Procedure，WLTC）[11]工況。在整車環(huán)境模擬試驗艙內(nèi)進行43℃下的48 V電池熱管理試驗，測得2種工況下的試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 正常行駛瞬態(tài)工況試驗結(jié)果

由圖8a可知，NEDC工況下1180 s內(nèi)，電池溫度上升了4℃，SOC小范圍頻繁波動，極差值為23%。電池充電最大功率7.41 kW，回收電量139.2 W·h；對外輸出助力最大功率4.12 kW，輸出電量170.38 W·h。由圖8b可知，WLTC工況下30 min內(nèi)，48 V電池溫度上升了10℃，SOC以較大幅值頻繁波動，極差值為44%。電池充電最大功率為8.82 kW，回收電量362.4 W·h；對外輸出助力最大功率為8.28 kW，輸出電量423.0 W·h。

3.4 各工況下48 V電池熱管理性能分析

比較各工況下整個試驗過程中單位時間內(nèi)的電池溫升速率K、電池充電速率K1、放電速率K2，如圖9所示。

圖9 充放電速率、溫升速率比較

由圖9可知：各穩(wěn)態(tài)工況下電池充放電速率均小于1.3 W·h/min，且圖3~圖5中SOC均呈現(xiàn)上升趨勢，試驗過程中未出現(xiàn)電池頻繁的充放電交互，導(dǎo)致溫升速率很低，均不大于0.07℃/min，故大負荷穩(wěn)態(tài)工況不適合驗證整車48 V系統(tǒng)熱管理性能；在全油門加速試驗過程中，電池的充電速率較高，達到17.9 W·h/min，放電速率較低，僅4.7 W·h/min，可知加速過程助力作用較小，在減速過程中回收能量效果明顯，因此電池的溫升速率也不高，僅為0.14℃/min，連續(xù)9次全油門加速過程中，電池并未出現(xiàn)極端充放電情況，電池僅上升1℃，該工況也不適用于驗證48 V系統(tǒng)熱管理性能；在正常行駛的瞬態(tài)工況下，WLTC工況的電池溫升和充放電速率均較NEDC工況大，且效果遠遠優(yōu)于其余各工況，將其用于考核48 V系統(tǒng)電池熱管理性能是最佳選擇。

4 電池熱管理試驗環(huán)境開發(fā)

4.1 高溫環(huán)境對電池平衡溫度的影響

在整車環(huán)境模擬試驗室內(nèi)分別在25℃、35℃、43℃高溫條件下進行連續(xù)8個WLTC工況循環(huán)試驗，空調(diào)狀態(tài)均為最大制冷（外循環(huán)）模式。48 V電池溫度變化結(jié)果如圖10所示。

圖10 高溫環(huán)境條件下電池溫度變化情況

依據(jù)48 V電池熱管理試驗方法企業(yè)標準，可認為電池30 min內(nèi)溫度變化不大于1℃即達到平衡狀態(tài)。由圖10可知，不同高溫環(huán)境中運行90 min（3個WLTC工況循環(huán)）后電池溫度達到平衡狀態(tài)。25℃環(huán)境下電池平衡溫度為50℃，比電池初始溫度上升了24℃；35℃環(huán)境下電池平衡溫度達到55℃，上升了21℃；43℃環(huán)境下電池平衡溫度為61℃，上升了19℃。達到平衡后，在43℃高溫條件下，空調(diào)策略的影響導(dǎo)致電池周圍空氣溫度變化，從而導(dǎo)致電池溫度波動，但未呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。由此可知：高溫條件下進行5個WLTC工況循環(huán)測試，電池即可達到平衡狀態(tài)，且環(huán)境溫度和電池到達平衡狀態(tài)的上升溫度存在一定關(guān)系，線性擬合結(jié)果如圖11所示。擬合相關(guān)系數(shù)大于0.99，相關(guān)性很好。

圖11 高溫環(huán)境條件下電池上升溫度變化情況

由圖11可知：在相同的車輛運行與空調(diào)設(shè)置條件下，隨著試驗環(huán)境溫度的升高，電池的溫升速率逐漸減小，但平衡溫度會隨環(huán)境溫度線性提高。依據(jù)擬合公式可以確定，當環(huán)境溫度為51.4℃時，電池溫升13.6℃，電池將到達高溫功率初始限值65℃。

4.2 低溫環(huán)境對電池平衡溫度的影響

在整車環(huán)境模擬試驗室內(nèi)-25℃低溫環(huán)境下進行連續(xù)10個WLTC工況循環(huán)試驗，空調(diào)狀態(tài)設(shè)為最大采暖。48 V電池溫度、充放電功率、電池電量結(jié)果如圖12所示。

圖12 -25℃條件下試驗結(jié)果

由圖12可知：48 V電池溫度低于-15℃時充放功率為0，SOC基本保持不變，電池受保護策略影響，不對外做功。試驗開始后前95 min內(nèi)電池的溫度僅受周圍空氣溫度變化影響緩慢上升，當溫度高于-15℃后，電池充放電功率逐漸增大，電池溫度快速上升，試驗進行到第240 min（完成8個WLTC工況循環(huán)）后，電池溫度達到平衡溫度33℃。

4.3 空調(diào)模式對電池平衡溫度的影響

在35℃環(huán)境溫度下，將空調(diào)狀態(tài)分別調(diào)整為最大制冷（內(nèi)循環(huán)）和最大制冷（外循環(huán)）2種模式進行連續(xù)5個WLTC工況循環(huán)試驗。48 V電池溫度試驗結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同空調(diào)模式電池溫度變化情況

由圖13可知：空調(diào)狀態(tài)最大制冷（外循環(huán)）模式下，電池的最高溫度達到67℃，超出電池溫度策略限值65℃，電池進入熱保護模式，是由空調(diào)模式不同使得電池周圍空氣溫度不同導(dǎo)致，試驗過程中電池周圍空氣溫度變化情況如圖14所示。

圖14 不同空調(diào)模式下電池周圍空氣溫度變化情況

由圖14可知：由于電池處于整車備胎艙后排座椅右下方，在空調(diào)最大制冷（外循環(huán)）模式下，鼓風(fēng)機將外部的空氣抽入乘員艙內(nèi)，增大了乘員艙的空氣壓力，乘員艙溫度較低的空氣通過車身流道持續(xù)進入備胎艙電池周圍，如圖15所示。電池周圍空氣溫度20 min內(nèi)穩(wěn)定在42℃。最大制冷（內(nèi)循環(huán)）模式下，駕駛室內(nèi)的空氣處于閉環(huán)內(nèi)部流動狀態(tài)，壓力保持不變，低溫空氣無法到達電池周圍，因此電池周圍空氣溫度不斷升高，最后穩(wěn)定在62℃。由此可見，不同的空調(diào)模式直接影響了電池周圍的空氣溫度，從而造成了電池達到平衡的溫度存在較大的差異。

圖15 外循環(huán)模式下乘員艙內(nèi)空氣流動示意

5 結(jié)束語

本文通過對某款搭載48 V系統(tǒng)的車型進行不同方案下的48 V電池熱管理性能試驗，結(jié)果表明：正常行駛的瞬態(tài)WLTC工況下，48 V電池能夠頻繁充放電，且電池溫升速率和充放電速率遠大于其他工況，將WLTC工況用于驗證48 V電池熱管理性能最合適；高溫環(huán)境下，48 V電池達到平衡時的上升溫度與環(huán)境溫度存在一定的線性關(guān)系，在35℃、43℃、52℃環(huán)境溫度下連續(xù)進行5個WLTC工況循環(huán)能夠有效驗證48 V電池高溫熱管理性能，低溫-25℃環(huán)境溫度下連續(xù)進行8個WLTC工況循環(huán)能夠有效驗證48 V電池低溫熱管理性能。

空調(diào)的內(nèi)、外循環(huán)模式對48 V電池平衡溫度影響很大。對于布置在整車備胎艙內(nèi)的48 V電池，高溫環(huán)境條件下將空調(diào)置于最大制冷（內(nèi)循環(huán)）模式時能更加有效地驗證電池的熱管理性能，低溫條件下將空調(diào)置于采暖模式，采用最大采暖（內(nèi)循環(huán)）模式電池溫度上升較慢，因此在低溫條件下將空調(diào)置于最大采暖（外循環(huán)）模式時能更加有效地驗證電池的熱管理性能。建議P0級48 V車型開發(fā)時將電池置于乘員艙內(nèi)：在高溫環(huán)境下，乘員艙內(nèi)由于空調(diào)制冷對溫度的調(diào)節(jié)，電池周圍空氣溫度相對較低，可有效提高48 V電池的整車高溫性能；在低溫環(huán)境下，乘員艙內(nèi)采用空調(diào)采暖進行溫度調(diào)節(jié)，電池周圍空氣溫度相對較高，可有效保證48 V電池在整車低溫環(huán)境條件下的性能。