整車電池包熱管理設計方案研究

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摘要:分析國內外動力電池熱管理現狀，并從某10m純電動客車熱管理架構入手，介紹整車動力電池系統的冷卻、加熱原理及相關計算。

關鍵詞:純電動客車;動力電池;熱管理動力

電池是電動汽車的核心部件，其特性與環境溫度緊密相關。溫度不同時電池的歐姆內阻變化率高于極化內阻變化率，低溫下的歐姆內阻變化率大于高溫下的變化率［1］。溫度引起電化學性能變化，從而影響電池使用性能與壽命［2］。隨著電動汽車的普及，溫度－30～+50℃的使用環境已經成為電動汽車所要面對的實際場景［3］。為此，需對汽車的熱管理進行研究。本文以某10m級電動客車熱管理設計為例，介紹整車及電池包熱管理的設計要點。

1國內外動力電池熱管理現狀

1.1動力電池溫度特性。以磷酸鐵鋰型動力電池為例，當溫度超過45℃時循環壽命會逐漸降低、電池電量衰減加劇，導致車輛續航里程逐年降低;當溫度超過60℃容易發生電池冒煙、起火、爆炸等安全事故;當電池溫度低于25℃時，溫度每低1℃電池容量衰減約1%;當溫度低于0℃時，電池充放電會變得非常困難，最終導致冬季時車輛續航里程大大縮短、充電慢等問題。由此可知，電動汽車的使用壽命、可靠性等很大程度上會受到溫度的影響［4］。而動力電池過早衰減的主要原因就是動力電池長期工作在非最佳使用溫度環境。1.2動力電池熱管理分類。目前國內外動力電池系統的冷卻主要分為4類:自然冷卻、風冷、液冷、直冷。其中自然冷卻是被動式的冷卻方式;而風冷、液冷、直冷是主動式的，這三者的主要區別在于換熱介質的不同。由于空氣對流換熱系數較低，采取液體代替空氣作為冷卻介質成為強化冷卻的必然手段［5］。動力電池加熱按其熱傳導方式主要分為內部加熱法與外部加熱法。內部加熱法是利用電流通過動力電池時所產生的焦耳熱來加熱電池，解決動力電池內部電解液在低溫下黏度增加、阻礙電荷載體的移動、導致動力電池內部阻抗增加的問題;外部加熱法則是通過在動力電池包或動力電池模塊外部添加高溫液體或氣體、電加熱板、相變材料或者利用珀爾貼效應等方式來實現熱量由外向內的熱傳導。除上述基于對流的加熱方式，亦可采用PTC或小功率加熱膜直接對電池表面進行加熱［6］。

2整車電池熱管理的設計方案

該車電池包的熱管理包括動力電池冷卻以及動力電池加熱。其電池冷卻是以50%乙二醇和50%的水為冷卻介質，通過液體循環方式為動力電池冷卻;電池加熱則以電池模組底部安裝電阻膜的方式直接為動力電池表面進行加熱。2.1熱管理架構。該車的電池熱管理系統的架構如圖1所示。1)電池冷卻系統。在由壓縮機1、冷凝器2、膨脹閥3、蒸發器4、氣液分離器5組成的乘客區制冷系統(單冷系統)基礎上，在蒸發器4處并聯一組板式換熱器7，通過兩個電子膨脹閥(3，6)進行流量控制，以便均衡車輛兩側的制冷量。冷卻液從板式換熱器7出水口流出，經過一個三通閥分成兩路，各接一個水泵(9，22)推動水路循環。為了保障電池冷卻的效率，從兩個水泵出水口的后方各接三通閥分為兩路，每一路串聯兩個電池包，再將兩組串聯回路并聯。然后將兩組并聯回路再進行并聯，形成一個完整的電池包冷卻的水路循環系統。為確保每一組動力電池包散熱得溫度均勻，在每組串聯水路的電池包進水口之前加裝節流閥(14，16，27，29)和水壓檢測接頭(15，17，28，30)，用于調節和測量水路的流量和壓力。為防止因水壓不一致導致回水不順暢，在每組串聯水路的電池包出水口之后加裝單向閥(18，20，31，33)和水壓檢測接頭(19，21，32，34)。為合理使用電池冷卻系統，在板式換熱器7的出水口及回水口分別接一個水溫傳感器(8，35)，用于監測水溫，當溫度過低時，可停止制冷。2)電池加熱系統。該系統由動力電池的電阻膜(10，11，12，13，23，24，25，26)、正極接觸器40、電氣保險絲41、負極接觸器42串聯而成，整個電阻膜加熱電回路與動力電池系統的高壓回路并聯。電阻加熱膜的結構為鎳鎘合金電熱絲包覆環氧樹脂絕緣層。2.2整車電池的熱管理原理。1)系統的冷卻原理。當電池需要冷卻時，制冷劑進入板式換熱器7中會迅速吸熱氣化，變成氣態低溫的制冷劑，從而吸收大量的熱量，對冷卻液進行降溫，冷卻液通過水路循環給電池包進行冷卻。當系統只單獨對動力電池進行冷卻時，只開啟板式換熱器的電子膨脹閥6，冷卻液的溫度通過板式換熱器7能快速下降到設定溫度。之后，冷卻液溫度隨著壓縮機1的啟停和頻率變化，在設定的溫度15～25℃之間進行周期性波動;當系統需要同時對車內乘客區和電池進行冷卻時，同時開啟車內制冷和板式換熱器的電子膨脹閥(3、6)，并實時對冷卻液進行流量分配，以實現車內和動力電池同時最佳制冷。當車內乘客區溫度降低至設定溫度后若電池還有冷卻需求，系統將自動關閉車內制冷電子膨脹閥3并保持電池冷卻電子膨脹閥6處于開啟狀態，此時只對電池進行冷卻，當電池冷卻至設定溫度后系統將自動停止壓縮機的工作。2)系統的加熱原理。如果在低溫氣候(一般＜0℃)下車輛長時間停放，車輛使用前需要將電池包加熱至可以正常使用的溫度(一般為12℃)。本文所述某10m級電動客車的8個箱體的加熱電阻膜采用串聯的方式進行連接。當電池最低溫度低于12℃時，由電池BMS控制加熱接觸器吸合，向動力電池自身加熱;當電池最低溫度高于15℃時，由電池BMS控制加熱接觸器斷開，停止加熱。為了確保電池加熱過程中的使用安全，在加熱電回路中增加保險絲。為了減少接觸器粘連而帶來的加熱接觸器無法斷開導致的電池持續加熱的風險，在加熱電回路中正負極均使用了接觸器，正負極任何一個接觸器斷開均能有效地切斷加熱回路。為了確保低溫狀態下有充足的電量為電池自身加熱，在動力電池BMS控制策略設計時，一般需要預留15%～20%的電量。此策略一方面為了保護動力電池不發生深度放電而損壞電池;另一方面為了保證低溫狀態下有充足的電量為電池自身加熱。因此，一般動力電池SOC低于20%時，整車應通過限制驅動系統功率并在儀表上開啟電量低指示燈的方式提示用戶及時充電。由于加熱電流對電池來說非常小，低溫狀態下動力電池足以釋放該電流供電池加熱。2.3電池系統的制冷量、加熱量計算。1)制冷量計算。本文8個動力電池箱，其中箱每箱電池需散熱的面積為1.489m2，另外4箱每箱電池需散熱的面積為1.335m2，整車電池需散熱的總面積約為11.3m2。按照牛頓冷卻公式［7］，電池需求的制冷量Φ為:Φ=h×A×ΔT式中:h為表面傳熱系數，本文取200W/(m2•K)［8］;A為電池需散熱的總面積，本文為11.3m2;ΔT為電池所需散熱的壁面溫度和電池冷卻液的溫度差，本文取3℃。計算結果為:Φ=200×11.3×3=6780W。因此，在整車制冷系統匹配設計時，其總制冷量應在滿足車內制冷效果的基礎上增加7kW為宜;板式換熱器的散熱能力應大于7kW為宜。2)加熱量計算。本文所述的安裝在電池底部的電阻加熱膜使電芯的溫升速率為0.2℃/min。以車輛在－15℃環境溫度下將電芯加熱到15℃為例，消耗電能W為:W=ρ×A1×t式中:ρ為電熱膜功率密度，本文取2W/m2;A1為加熱膜覆蓋電池的總面積，本文取2.5m2;t為電池從－15℃加熱到15℃的時間，本文為2.5h。計算結果為:W=2×2.5×2.5=12.5kWh。因此整車設計時，應考慮到低溫狀態下電池自加熱時消耗的電量，在滿足整車續行里程的基礎上增加12.5kWh電量為宜。2.4冷卻系統的管路流量、管徑及流阻計算。1)電池冷卻液管路流量Q，計算公式如下［9］:Q=q/ρ1，q=Q1/c/Δt式中:q為電池冷卻循環的質量流量;Q1為電池冷卻需要的換熱量;ρ1為冷卻液的密度，取1053kg/m3;c為冷卻液的比熱容，取3.768kJ/kg•℃;Δt=to－ti，to和ti分別為流出和流入板式換熱器的溫度35℃和30℃。計算結果為:Q=20.5L/min。2)電池管路直徑d可參考以下公式［10］計算:d=1.13槡W/V式中:W為體積流量，該車型冷卻管路有4個支路，即每個支路的W=Q/4=20.5/4=5.125L/min(本文取5L/min);V為常用流速，一般在0.5～2m/s，本文取0.5m/s。計算結果為:d=14.59mm。3)電池冷卻管路阻力主要分為沿程水頭阻力和局部水頭阻力［11］，可參考以下公式:ΔP1=λ×L/d×V12/(2×g)，V1=Q/(S×N)式中:λ為沿程阻力系數，橡膠管取80/Re;L為管路總長度，m;d為管路直徑，m;V1為管內流速，m/s;g為重力加速度，N/kg;S為單根管路截面積，m2;N為管路分支數(本文取4)。計算結果為:ΔP1=4.53kPa。

3結束語

電動汽車動力電池的成本占整車成本的30%～50%［12］，動力電池過早衰減導致車輛提早更換電池，會給用戶增加極大的使用成本。精準地控制動力電池工作溫度，是保證動力電池性能的關鍵，也是提高動力電池使用壽命、節約車輛使用成本的關鍵。本文所述內容既提高了動力電池的安全性又延長了動力電池的使用壽命。

作者:羅丙荷 張汕姍 程云云 單位:1.江西凱馬百路佳客車有限公司 2.江西省新能源客車工程技術研究中心