车辆专业毕业设计-SY1046轻型货车驱动桥设计
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2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Oct. 9-12, 2012, Seoul, Korea 在低温环境下预加热系统对电池的影响Hyun-Sik Song, Jin-Beom Jeong, Baek-Haeng Lee,Dong Hyun Shin,Byoung-Hoon Kim, Tae-Hoon Kim, Hoon Heo Dept. of Control and Instrumentation Eng., Korea University, Korea Electronic System R&D Center, Korea Automotive Technology Institute, Korea E-mail: he0257korea.ac.kr 摘要-插电式混合动力电动汽车（PHEV）和纯电动汽车（EV）的性能与高电压的电池包的性能密切相关的。这就是电池热管理在保持电池峰值性能的众多措施中需要特别重视的原因。在锂离子的早期发展过程中，人们更多关注锂离子电池的冷却而不是电池的加热。然而，在低温环境下，使用不经过预热的电池会严重降低电池的性能和寿命。混合动力汽车和电动汽车的能量是由充电电池提供，它可以通过外部热源加热，使电池达到开车前需要的工作温度。在这份研究中，电池半实物仿真和环境仿真系统是用来证明：使用一个外部源，如充电站在低温环境下预加热电池，相较于不预热的方式，可以大幅度改善电池的性能。一，引言 近年来，为解决能源枯竭和减少温室气体排放等社会问题，全世界都在致力于发展插电式混合动力电动汽车（PHEV）和电动汽车（EV）。这样的车能源来自于纯电动，因此电池直接影响了车的行驶里程。为了在有限的能源的基础上，提高续航里程，汽车发展不仅要在汽车控制上而且要在电池的管理控制。在电池的管理方式中，绝大多的研究是针对电池单体以及电池包的散热。 迄今为止，已有很多关于热管理研究的报道，其中有很多是研究通过使用空气或制冷剂降低温度，从而减少充放电过程中产生的热量。大规模生产的充电式混合动力车、电动汽车就像普通的内燃机（ICE）的车辆那样正在逐渐发展以适应在更高的温度和更低的温度下行驶。因此，目前也有在低温下电池热管理方面的研究。 电池在低温下的性能远不如在室温状态下，插电式混合动力车/电动汽车需要的功率和能量甚至不能在低温环境下的转换。当插电式混合动力电动汽车（PHEV）在低温状态下停了很长一段时间后，将导致电池充电缓慢，预加热系统则可以有效地提高充电效率。认识到这一预加热的必要性后，大多数文本和研究产生的数据只能在数学上计算出微弱的预加热的效果。 因此，在这项研究中，半实物仿真和电池环境仿真系统用于测试，由于那部分容易被忽略的热量导致预加热电池与在低温环境下的工作性能的差异性。二，电池在低温下预热 电池是通过电化学反应实现充电和放电能量的装置。当电池在高温下充电和放电时，随着电池的内部阻力减小，（放电）电压也逐渐减小，从而增加了电池的工作能力和它的能量输出。相反，当温度的环境低，电池的内阻增加，其化学活性降低，导致减少在其内部容量和能量输出。当插电式混合动力电动汽车（PHEV）在低温环境下充电时，在冬天的时候，内阻较高的充电效率，效率大大降低。换句话说，在同一时间，相同的电流充电情形，低温环境充电容量低于室温充电容量。在寒冷的气候条件下，对于充电式混合动力车和电动车电池的性能是一个重要的问题。加热充电式混合动力车和电动汽车的电池有助于在寒冷的环境下提高汽车的性能。 电池可以通过内部加热或外部加热。以下几种方法可以用于外部加热，如包裹内部加热单元的密封电加热套、空气加热式以及液体加热式。这些方法通常采用于独立的电源，为加热元件提供所需的能量。然后，产生的热量传递给对流或传导系统。其中，对流系统通过加热空气吹过电池，而传导系统是直接将热量传至电池表面。当选择一个对插电式混合动力电动汽车（PHEV）和电动汽车（EV）的预加热的方法时，有两个主要问题是必须考虑。（1）什么是可用的能源和热？（2）如何能量和热量传递到电池？ 有各种不同的方法适用于低温环境下的预热，在这篇研究中，一个暖气加热模型可以应用到电池系统中，达到预热电池的效果。三，方法 为了验证电池预热的影响，实验装置有电池的半实物仿真，充电器/放电器，和一个密闭空间，如图l所示。 电池的半实物仿真系统由多个组件包括电池系统；动力总成模型：实现车辆的动态性能，电池系统是一个数学模型；实时系统（RTS）处理一个动力模型；充电器/放电器系统进行充电和电池系统的放电；一个接口设备使电池系统与充电器/放电器，和RTS形成数据通信。 在这项研究中使用的模型是一个中等规模的电动汽车动力总成和6.9千瓦时的锂聚合物电池，它由96个单体串联组成。为了产生车辆所需的功率，我们采用电池电压反馈的电池管理系统的测量（BMS）。 此外， 为了在众多方案中选取能满足电动汽车的动力性能评价的驱动模式，在这项研究中的实验，我们设定的输入条件-城市测功机驱动计划（UDDS）。 用于电池的半实物仿真模型是一个中型电动车，模型由PSAT（动力总成系统的分析工具包）的实验室（国家实验室）提供，最大电机的输出调整为80千瓦，最大重量1，521公斤，电池功率为6.9千瓦时。此外，采用额外的加热器用于预热。一个空气加热器安装到车辆的配置，如图2所示。空气加热器的功率通常为5千瓦。当加热器开始启动，它工作在最大功率，在达到其峰值温度后，它在其最大输出最大功率的20%开始运行。在这项研究中，内部和外部的温度由日产尼桑LEAF设备测量，为了测查电动汽车（EV）驾驶舱在冬天时的温度，采用车用暖风加热的方式。将车辆放置在一个足够低的温度（约-3C）的环境中，缓慢驾驶，驾驶舱内温度设置位自动模式，当达到一个最大值温度。图3显示的结果时，当预加热系统介入时的温度测量结果。温度传感器安装在侧面的热空气显示为3045C，而在车辆内部的中心温度为20C。约40-50分钟后加热开始，热量在车辆内部形成对流并且温度传感器检测到温度的变化。因此，在实验结果的基础上，在本研究中，我们假设电池周围温度随着暖空气加热系统的车内开启而升高至接近车内温度（25C），约50分钟后电池达到预热效果。 为了模拟冬季室外的环境，将一段时间内电动汽车的驾驶舱室内温度上升（作为电池组的环境温度）情形来模拟驾驶室内环境。车内温度则进行统计，电动汽车起始最低环境温度为- 20C，加热器此时将在自动模式下操作，使车内在50分钟内温度达到房间温度（25C）。 图4显示了电池组的温度测量时，室内温度在汽车行驶过程中的试验数据。据证实，大约花了50分钟使温度由电池组的温度达到室温起动温度20C。四、实验 为了测试预热在冬季的影响，实验在以下的程序的基础上进行。比较电池的性能是否会受加热系统的有无影响。电池的初始状态设定相同。因此，每次电池在室温（25）完全充电慢后测试。我们进行了四组对比实验测试：在低温度（- 20C）（4例）没有预加热；预加热到10（案例3）；预热到+ 25C（2例）；在固定室温下基准情况测试（案例1）。 在三组测试中，例1例外，充满电的电池在相关的温度后充分测试。然后移动到装备了模拟预加热设备的B室，电池在UDDS循环下进行温度设定分布仿真。测试从低温升至室温，需要超过50分钟，在UDDS进行3次循（约68分钟）。在室温下进行3个电池的半实物仿真操作UDDS循环。在较低温度（-20C），观测到电阻在UDDS第一循环后增加。若实验超过电池的安全上限，则实验就此结束。将第一和第二周期模拟运行设置为0.5和0.75的安全因素，以保证3个UDDS循环在包括低温下多温度下使用。 当整个周期是完成后，实验室仓的温度控制为车内的温度，使电池温度保持稳定。当电池足够稳定时，开始进行恒定电流和电压放电，并实时计算电池的剩余容量。在案例1中，作为参考进行比较，3个UDDS循环在室温下进行，电池释放出截止电压，最后与剩余容量一同计算。 在对3个UDDS循环模式模拟中，比较有无预加热对相同能量（同为4945Wh）电池的影响（例2，3，和4），图6所示为3个UDDS循环消耗应用。在实验中使用额定容量的电池是20A，而在实际的室内温度完全充电容量是20.65A.在3个UDDS测试周期完成后，待电池恢复室温时计算剩下的能量。如表1所示，相比室温（1），有大约3.1%的还原的能力，如果没有进行预加热（例4）。然而，如果预加热是在室温下进行（例2），容量变化仅为0.7%左右，如果预加热是在10C进行（情况3），容量的变化约1%。 在对这些试验结果的基础上，我们可以得出合理的推论：装备有预加热系统使，续航里程比没有装备时更远。同时，有必要考虑不同的预加热的成本效益。建立起对应的能量增加的与里程增加的数量关系。五，结论 为了验证预加热对电池效能的影响，建立了低温环境下电池的半实物仿真。在相同的电池状态下，进行UDDS系统循环实验，在特定情况下，分别对电池加热或不加热待电池稳定，对电池的剩余容量进行对比。 实验结果表明，在低温环境下进行循环实验后，如果对电池进行预热，电池能更好地维持原有容量。这也同样说明在低温环境下使用外部加热设备后，电池容量比不装预热设备时大。参考文献1 Admad A. Pesaran, Battery Thermal Management in EVs and HEVs : Issues and Solutions, Advanced Automotive Battery Conference, Las Vegas, Nevada, February 6-8, 2001 2 Hyun-Sik Song, Baek-Haeng Lee, et aI., A Study on the Development of Battery HILS for Green Cars, KSAEll-A0540, pp. 2987-2905, 2011 3 David Lindern, Thomas B. Reddy, Handbook of Batteries, 3rd ed., McGraw-Hili Handbooks, 2002, Chapter 3: Factors affecting battery performance 4 Andreas Vlahinos, Ahmad A. Pesaran, Energy Efficient Battery Heating in Cold Climates, NREL, 2002-01-1975 5 T.A. Stuart, A. Hande, HEV battery heating using AC currents, Journal of Power
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