純電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)設計

吳澤民，潘香英，馮 超

（東風汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

1 電池系統(tǒng)概述

電池系統(tǒng)作為純電動汽車的核心部件，是電動汽車惟一的動力來源，直接影響到電動汽車的工作性能。電池系統(tǒng)主要由電池組和電池管理系統(tǒng)組成，鋰離子電池因其優(yōu)異的能量密度、功率輸出特性和長壽命等優(yōu)點，目前在純電動汽車電池組中得到良好應用［1，2］。但鋰離子電池的性能對溫度變化較敏感，尤其是純電動汽車上使用的大容量、高功率的鋰離子電池。從目前行業(yè)水平來看，電池組的低溫 （-20℃）起動性能基本能夠滿足純電動汽車的要求，但在高溫或大倍率放電情況下使用時，電池組存在長時間處于高溫環(huán)境、熱量不能有效擴散的問題。由于純電動汽車所需電池數(shù)量較多且裝載空間有限，電池均需為緊密排列連接，當電動汽車在不同工況下行駛，電池組會以不同倍率放電，以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，隨著時間累積及空間影響會產(chǎn)生不均勻的熱量聚集，從而導致電池組運行環(huán)境溫度不均衡。尤其夏季高溫天氣，電池組所處的環(huán)境溫度本身就很高，加之在復雜工況條件下運行，更容易導致電池組系統(tǒng)溫度過高和溫度分布不均衡。如果整個電池組在高溫下得不到及時的通風散熱，過高的工作溫度和過大的溫度差異得不到緩解，將降低電池系統(tǒng)充放電循環(huán)壽命，影響電池的功率和能量發(fā)揮，嚴重時還會造成熱失控，最終影響電池組的安全性和可靠性［3～8］。

為了提高電池組在高溫環(huán)境下的循環(huán)壽命和安全性，本文采用幾種方式優(yōu)化電池組結(jié)構(gòu)，設計電池組熱管理系統(tǒng)。

2 電池熱管理系統(tǒng)的設計

2.1 電池系統(tǒng)的隔熱設計

針對夏季高溫天氣，由于長時間高溫熱輻射，熱量進入到電池箱內(nèi)部，導致電池組溫度過高，加上車輛行駛時電池本身發(fā)熱，容易使電池組始終處于高溫工作狀態(tài)。

隔熱設計采用在電池箱內(nèi)壁貼一層隔熱膜后，再將電池組安裝在電池框內(nèi)。設計思路:在夏季高溫環(huán)境下減少熱輻射進入電池箱內(nèi)部，降低電池組溫度受外部高溫環(huán)境的影響。帶隔熱設計的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

經(jīng)過初步篩選，采用兩種不同的隔熱材料A、B進行性能驗證。試驗步驟如下:先將準備好的2個電池箱體內(nèi)分別貼一層隔熱材料A和B，再將電池組安裝在電池箱內(nèi)，在電池組上布置2個溫度傳感器，然后將2個箱體放到高溫箱中進行試驗。

為獲得更好的試驗效果，將高溫箱溫度升到65℃進行兩種材料的隔熱效果驗證。試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，采用隔熱材料B，經(jīng)過7 h電池表面溫度與高溫箱內(nèi)溫度平衡，隔熱材料A的箱體在5h之內(nèi)，電池表面溫度就與高溫箱內(nèi)溫度相同了，因此材料B的隔熱效果優(yōu)于材料A，后續(xù)的設計選用材料B進行隔熱設計。

為驗證隔熱材料是否會增加行駛中電池組的溫升，本文按表1規(guī)定的工況，模擬電動汽車行駛過程中帶隔熱材料和不帶隔熱材料的電池組溫度變化，結(jié)果如圖3所示。

表1 模擬電動汽車行駛工況

由圖3對比可以看出，電池組在設計隔熱膜前和設計隔熱膜后，在相同工況且初始溫度接近的條件下，電池組的平均溫升接近，都升高了12℃左右，表明在電動汽車行駛中，隔熱設計未明顯增加電池組的溫升。

2.2 電池系統(tǒng)的空調(diào)壓縮機散熱設計

針對電動汽車在行駛過程中電池組發(fā)熱量較大的問題，采用空調(diào)壓縮機散熱設計的方式:在電池箱內(nèi)部安裝空調(diào)壓縮機制冷單元，壓縮機制冷后通過蒸發(fā)器采用強制對流，將冷氣送向電池箱內(nèi)。壓縮機采用風機散熱，外部冷凝器同樣采用風機散熱。壓縮機由感溫部分、溫度設定主體部分、執(zhí)行開閉的微動開關3部分組成，為可調(diào)型溫控器。通過密閉的內(nèi)充感溫工質(zhì)的溫包和毛細管，把被控溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)槊荛]空間壓力或容積的變化，當溫度高于設定值時，通過彈性元件和快速瞬動機構(gòu)，自動開啟觸頭，以達到自動控制散熱降溫的目的。帶空調(diào)壓縮機散熱設計的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

按圖4的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在電池組內(nèi)均勻布置6個溫度傳感器，對散熱效果進行驗證。試驗步驟如下:將裝有壓縮機散熱設計的電池箱放到高溫箱中，調(diào)節(jié)溫控設備升溫至50℃后保持恒溫；當電池組內(nèi)溫度傳感器達到與高溫箱環(huán)境溫度相同時，啟動空調(diào)壓縮機散熱裝置。記錄整個過程溫度變化，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，空調(diào)壓縮機對電池組的散熱有明顯的效果，但電池組內(nèi)部溫度均衡性較差，溫度傳感器6位置溫度與其他各處溫差在6℃以上，而且安裝此裝置成本較高，耗能較大，需占有電池箱內(nèi)部較大空間，降低了電池系統(tǒng)的能量密度。

2.3 電池系統(tǒng)的半導體散熱設計

同樣針對電動汽車在行駛過程中電池組發(fā)熱量較大，采用帶半導體散熱片的風扇進行電池系統(tǒng)的散熱設計。

在電池箱上安裝帶半導體風扇的散熱系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)的制冷面放在電池箱內(nèi)，制熱面放在電池箱外，電池組之間留有一定空間作為風道。散熱系統(tǒng)內(nèi)部設有溫度控制系統(tǒng)。當溫度檢測系統(tǒng)采集到的溫度高于設定值時，散熱系統(tǒng)的半導體制冷片會開啟進行降溫處理。當溫度降低到設定值以下，散熱系統(tǒng)停止工作，以保證電池組運行在適宜的溫度范圍。帶半導體散熱設計的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

按圖6所示的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在電池組內(nèi)部均勻布置6個溫度傳感器，對散熱效果進行驗證。試驗步驟如下:將電池箱放入高溫箱中，調(diào)節(jié)溫控設置升溫至50℃后保持恒溫；當電池組內(nèi)溫度傳感器檢測到溫度達到50℃時，開啟散熱系統(tǒng)。記錄整個過程溫度變化，結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，當電池組溫度達到高溫箱內(nèi)環(huán)境溫度時，開啟散熱系統(tǒng)，電池組溫度略有降低，但隨著時間加長，電池組溫度又逐漸升高，幾乎恢復到之前的溫度水平，說明此散熱設計效果不明顯，在長期高溫環(huán)境下，不能起到良好的散熱作用。

3 結(jié)論

對比以上幾種熱管理設計可以看出:隔熱設計可有效減少高溫熱輻射進入電池箱內(nèi)部，降低電池組溫度受外部高溫環(huán)境的影響；在電動汽車行駛過程中，隔熱材料并未明顯增加電池組的溫升；而且相對其他兩種設計，隔熱設計的熱管理效果明顯、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于產(chǎn)業(yè)化。

［1］陳全世，朱家璉，田光宇.先進電動汽車技術(shù)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2007.

［2］謝先宇，王潘，安浩，等.汽車用動力鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀［J］. 上海汽車， 2010 （1）:21-25.

［3］車杜蘭，周榮，喬維高.電動汽車散熱加熱設計［J］.北京汽車，2010 （1）:5-7.

［4］王麗娜，楊凱，惠東，等.儲能用鋰離子電池包熱管理設計［J］. 電源技術(shù)， 2011， 35 （1）:1351-1353.

［5］常國峰，陳磊濤，許思傳.動力蓄電池風冷熱管理系統(tǒng)的研究［J］. 汽車工程， 2011， 33 （10）:890-893.

［6］車杜蘭，周榮，喬維高.電動汽車電池包熱管理系統(tǒng)設計方法［J］.汽車工程師， 2009 （10）:28-30.

［7］馮勇，王輝，梁驍.純電動汽車電池管理系統(tǒng)研究與設計［J］. 測控技術(shù)， 2010， 29 （9）:54-57.

［8］沈云飛，程俊偉，王健.電動汽車鋰離子蓄電池包熱管理系統(tǒng)中相變材料的應用研究［J］.上海汽車，2011（11）:3-6.

附:補充說明

針對審稿專家提出的 “補充低溫起動內(nèi)容”的建議，稿件作了一些修改，但這篇文章主要說的是散熱技術(shù)，沒有過多地提到冷起動的問題，因為國標要求的-20℃起動條件基本都能達到。