混合动力新能源车发动机加热电池研究及验证

刘志平

（比亚迪汽车工业有限公司汽车工程研究院电动车技术开发中心，广东 深圳 518118）

新能源和节能环保是趋势，国家对新能源汽车大力扶持推进，新能汽车已成为当今汽车行业的发展趋势。动力电池作为新能源车的动力源，其工作性能直接影响整车动力性能。目前铁电池、三元电池在新能源车中有着广泛的应用，某车型充放电试验证明，其充放电性能在低温环境下比较差，如在-20℃时，用0.3C充放电，充放电容量约为常温25℃时最大充放电容量的75%。因此，在低温下，对电池进行预加热，是提高该类电池低温充放电性能的有效方法之一。文献中提出采用高低频交流电直接对电池电解液进行加热，这种方法虽然能够很快达到加热电池的效果，但对加热电源及其设备要求高，设计搭载在车上难以实现。

本文针对混合动力汽车设计了一种利用发动机冷却液作为热源给电池加热的方案，并进行了整车改装车；在低温环境中试验验证，并对加热实验数据效果进行分析；整个加热系统安全可靠，相对于其他单独加热源（如加热器、热阻丝、加热膜、热泵等）给电池加热，充分利用发动机冷却系统回路中的高温热源，节能、成本低；在特定工况下，可以替代单独的加热器加热。

1 不同温度电池充放电性能

电池在不同温度下，其充放电性能都不一样，在高温高寒中，电池性能下降，影响充放电量及瞬时充放电功率，从而影响整车的瞬时动力性、可靠性及其最终续驶里程此外，电池长期处在高温高寒的环境中工作，会大大影响电池自身的寿命。

在低温下，电池充放电能力大大降低，充电电流限制，充电时间变长，严重影响电池自身的使用性能。

如表1，某型三元电池抽取两个样品电池包1#、2#，在不同温度下对其进行充放电测试：常温25℃，两个电池包平均充电容量35.1Ah，充电比率100%；低温0℃，两个电池包均充电容量下降到32.05Ah，充电比率91.3%；低温-10℃，两个电池包均充电容量下降到28.25Ah，充电比率80.5%；可见，在低温-10℃下，电池充电比率下降了19.5%，影响电池自身的充放电量；不仅如此，温度更低的时候，影响程度更大。所以电池加热，目前对于新能源车在低温环境下，具有重要意义。

表1 某三元电池在不同温度下充放电数据表

2 发动机加热方案及其原理

如图1所示，本文设计通过控制调节阀、三通阀，在某工况需求状态下，将发动机模块冷却系统管路与电池包换热模块串联，或保持各系统独立。在电池低温状态下，发动机启动或行车，当发动机冷却系统水温达到某工作温度时，整车控制调节阀，使发动机冷却系统管路与电池包换热模块串联，同时控制三通阀切换，将发动机散热器短路，水泵工作，发动机冷却系统的高温冷却液直接流经电池包换热模块，通过换热器换热，给电池加热，如此循环，达到对动力电池包进行加热的目的，让电池包内电池单体快速升温，电池充放电性能（充放电功率、容量）快速恢复到常温状态。

3 试验及结果分析

3.1 试验准备步骤要求

图1 发动机电池加热系统示意图

图2 改车测试验证图

如图2改车后实车测试验证图，将低电量的某车放置在-12℃低温舱台架上长时间保温，电池达到要求温度-12℃时，开始按规定的车速工况行驶，发动机冷却液温度上升到一定温度后，调节阀、三通阀转动，让发动机高温冷却液流经电池包换热模块，把电池加热到一定温度，进入行车充电模式。

3.2 试验数据结果分析

如图3车速-时间变化曲线图，右纵坐标棕色曲线为车速变化，横坐标为时间h，试验过程中，车在台架上行驶，驾驶员模拟车辆在实际公路上以中高速工况行驶，车速基本维持在60～120km/h，发动机转速维持在1800～2200r/min之间。

图3 车速-时间变化曲线

如图4发动机及电池回路水温变化曲线图，右纵坐标橙色曲线为发动机回路水温变化值，水温基本稳定在80～85℃左右；左纵坐标蓝色曲线为电池回路水温变化值，水温不断上升，最高达到39℃，满足对电池的加热需要。

图4 发动机及电池回路水温曲线

如图5电池温度变化曲线图，纵坐标为电池温度变化值，两条分别为电池单体最高最低温度变化曲线，试验开始时，电池初始温度为-12℃，发动机启动车辆在实验室台架上行驶了2h，前1h电池温升速率较小，后1h电池温升速率较大，随着加热电池温度不断上升，电池温度升至12℃，此时温度下的电池充放性能基本可以满足常态要求，全过程电池温差1℃，很小。

以上数据表明，通过发动机冷却水作为热源间接加热电池，加热效果明显，电池温度上升速率约0.2℃/min，能使电池充电功率最终进入常温状态，保证其低温环境下的充放电性能。

图5 电池温度变化曲线

4 发动机加热电池优缺点

（1）充分利用发动机冷却液的热量，达到废热利用的目的。（2）在一定工况下，可以辅助代替单独的电加热器加热电池，节省电能。（3）低温充放电限功率，加热后，使电池自身充放电性能恢复到常态。（4）长期使用过程中，保证电池在整车使用时的安全性、可靠性，同时有利于延长电池的使用寿命。但是，本设计方案以发动机冷却液作为热源加热电池，加热速率较单独的PTC加热小；车辆在低速（即发动机低转速）行驶中，热源热量小，此时加热电池效果不明显，在很好的利用发动机冷却液热量的同时，一定时间段，还需单独的加热器兼并加热。

5 结语

车辆长时间处在低温天气环境中，电池自身充放电性能受限，充放电功率小，充电时间长，且充放电容量低，还影响车辆行驶的安全性及电池使用寿命。本文设计方案在搭载三元电池的混合动力新能车上进行改装并进行试验验证，从上述发动机加热电池方案试验数据结果研究分析，利用发动机冷却液热源加热电池，一定工况下，不仅解决了混合动力新能源车低温下电池充放电性能差的问题，保证了电池的长期使用寿命，而且还充分利用发动机的余热，一定程度上达到了节能的效果。该方案设计合理，不仅仅限用于三元电池混合动力新能车，是一种在低温环境下利用发动机冷却液热量给电池加热的可行方案。