嵌入“弓”形隔板的BSG動力電池系統

文/長城汽車股份有限公司技術中心

河北省汽車工程技術研究中心

吳世超 侯海杰 李猛 王艷霞

引言

B S G（Belt Driven Starter Generator）混合動力汽車，屬于弱混合動力汽車。由于BSG系統較好地兼顧汽車節能環保與成本問題，未來或將成為所有傳統動力汽車的標準配置。電池系統作為該BSG動力系統的能量提供單元，對BSG電機的性能發揮起著非常重要的作用。

由于弱混動力汽車要求的電池容量較小，大約為0.5Kwh-1.2Kwh，故占用空間較小，具有布置較靈活的特點，一般采用風冷卻的熱管理方式。但由于單體電芯固定結構、電氣連接、安全防護等結構的影響，風冷卻對電池的散熱效果較不明顯，往往過于注重熱管理而致使安裝固定結構過于輕薄，即在安全方面存在隱患；或過于注重結構安裝設計而忽略了熱管理，導致電池的性能及壽命受到影響。

現有風冷卻技術，單體電芯的固定，通過貫穿電芯框架的長螺栓壓緊；或者緊貼電池體的鋁板壓緊；或者通過塑料框架進行限位，由塑料卡接結構進行固定。熱管理方面的風，通常流經單體電芯與單體電芯之間的間隙，將電池在充放電過程中產生的熱量帶走。

在結構方面，現有模組只是對模組進行固定、壓緊等，當對現有模組或電池包進行機械撞擊等安全試驗時，外力很容易地通過固定外框架傳遞至單體電芯上，單體電池殼體受到擠壓，易發生危險事故（內部過壓、漏液、著火、爆炸等）。另一方面，在金屬異物刺入電池包內，由于缺少必要的緩沖結構單元，往往會發生內部短路（此短路可致使電池發生漏液爆炸）。

在熱管理方面，現有的風冷卻風道從電芯與電芯之間的間隙通過，間隙內部無引流、熱傳導等結構，往往風較快通過了間隙，并不能帶走電池的大部分熱量或帶走的熱量很少；如果匹配更大的鼓風機，產生更多的鼓風量，卻要消耗較多的能量。

電芯在充放電過程中，熱量集中在電池靠近極柱的一端，若電池極柱向上放置，即電池的上端溫度要高于電池下端的溫度（此溫差較小，約在3攝氏度以內，如圖1所示），而現有技術的風冷卻不能減小電池單體內部的溫差。

圖1 ：電池表面溫度場分布圖

1 “弓”形BSG電池系統

針對該BSG電池包系統應從結構、熱管理兩方面進行兼顧式設計，并根據電池的機械特性（主要從電池充放過程中電池殼體膨脹等），保證其安裝后的一致性（電壓、容量、SOC、內阻等的一致）。本文所介紹的嵌入有“弓”形隔板的電池系統，完美地兼顧了結構及熱管理這兩大方面。

1.1原理結構圖

該BSG電池系統由電氣保護蓋（1）、殼體（2，14）、風道（3，4）、有毒有害氣體排氣裝置（10，5）、電氣單元（6）、BCU電池控制單元（7）、模組（9，11，12，13）、密封海綿（8）等組成。

模組由單體電池、“弓”形框架、兩端的端壓板組成。

殼體部分固定模組及電氣件。該系統為48V，由26個單體電芯（2并聯13串聯）組成（如圖2整體結構圖）。

1.2結構設計

結構設計方面，在電芯和電芯之間上下處增加塑料框架，塑料框架之間留有一定的裝配間隙（1～2mm）。在電芯和電芯之中間增加類似“弓”形的隔板（如圖3“弓”形隔板框架）。當受到擠壓時或異物刺入時，電芯和電芯之間的“弓”形的隔板發生潰縮，塑料框架的間隙縮小，直到塑料框架相接觸，起到支撐電芯的作用，保證電芯的殼體免于受到擠壓。

另一方面，“弓”形隔板與塑料框架一體式設計，此“弓”形隔板可以為塑料、鋁、鋼等金屬。若為鋁材質時，鋁“弓”形隔板與塑料框架為一體，在裝配時，先后順序為：帶鋁“弓”形隔板的塑料框架—單體電芯—帶鋁“弓”形隔板的塑料框架—單體電芯……此一體設計便于安裝與拆卸。

圖2 整體結構圖

圖2 整體結構圖

圖3 ：“弓”形隔板框架

1.3熱管理

熱管理方面，采用電芯兩側進出風，可以對“弓”形板框架進行尺寸更改和內部隔端距離的修正，可實現將流經最前部和最后部的電池間隙的風量保持一致。

風道將外界的冷風引入電池包內，對電芯進行散熱，排氣裝置將電池內發生有毒有害氣體或由于電池故障噴出可燃氣體導出車外，保證乘員的安全。在進風口出安裝有PTC熱泵，在低溫情況下，可對電池進行加熱（如圖4）。

BCU（電池控制單元）監測電池的狀態，采集電池的電壓、溫度，并對電氣單元中的繼電器等進行控制。

電芯之間的“弓”形隔板，一方面將引導風流經電芯的表面，使電芯上下表面的風速保持一致（若實際中不一致，可通過調節各個“弓”形隔板內的隔斷的大小解決）。另一方面，若“弓”形隔板為鋁材質的，還可以與電池表面緊密接觸，由高導熱系數的鋁隔板，將電池的熱量傳遞出來。“弓”形隔板有效增加與風的換熱接觸面積，并結合隔板內隔斷之間的間距來調節上下風量大小，使單體電池之間的溫差控制在5℃，單體電池表面溫差（最大溫度往往出現在電池的極柱一端—極柱向上，最大溫度出現在電池上端—可見圖1電池表面溫度場分布圖）保持一致。

2 系統功能概述

該蓄電池系統具有以下功能：

1) 負責給整車提供所需要的電能，且具備上電自檢功能和故障預警功能。

2) 通過制動回收電能。

3) 具備電壓安全管理和電壓、電流檢測功能，能夠實現過壓保護和欠壓保護，實現電壓正負極絕緣電阻測量。（可以不具備絕緣防護功能）

4) 具備系統電流檢測功能和過流保護功能。

5) 具備與整車控制器之間的狀態交互功能。

6) 具備與整車控制器的CAN總線的通信界面。

7) 具備溫度檢測功能，能夠實現超高溫度保護。

8）風冷卻熱管理。

9) 電池包安全方面：

①電池包通過繼電器、保險絲等實現多重的保護；

②采用繼電器保證電池包總正總負端在非工作狀態無輸出；

③選用熔斷器來雙重保護在使用過程中可能出現的過流、短路等狀況；

④有毒有害氣體導出車外，保證乘員的安全。

圖4 ：冷卻原理圖

3 結論

在新能源汽車中電池管理方面，熱管理和結構安全兩方面尤為重要，通過對上述新結構在熱管理及結構安全兩方面的詳細闡述，可以看出新結構在安全性能與熱管理方面都進行了改進，對安全考慮較充分，減小了發生碰撞后電池系統發生著火爆炸的危險系數，提高了整車車輛的安全性。

[1] (美)Mehrdad Ehsani，Yimin Gao，Ali Emadi.現代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車—基本原理、理論和設計.機械工業出版社.2010.8.

[2] 蹇小平，麻友良.《汽車電器與電子技術》.人民交通出版社.2011.5.

[3]（波蘭）Antoni Szumanowski.《混合電動車輛基礎》. 陳清泉,孫逢春編譯.北京理工大學出版社.2001.

[4] 徐志生.《汽車理論》.機械工業出版社.2006