電動客車電池熱管理系統相關設計的對比與匹配

(西華大學 四川 成都 610039)

緒論

對于日益嚴峻的環境污染和能源短缺問題，節能減排是一個重要手段。節能、環保、無污染的新能源汽車是當下汽車業發展的主要趨勢。新能源汽車可分為純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車等類型。其中以動力電池為動力源的純電動汽車由于其節能、無噪聲、環保、高效等優點發展迅速。本文以某電動客車為設計對象，以傳統的液冷散熱模式與引入了空調系統的電池液冷散熱系統進行比較，設計出一款散熱效果良好的電池熱管理系統。

一、動力電池的選型

動力電池是電動汽車的核心部件，其性能的好壞與汽車的工作狀態密不可分。目前使用較多的動力電池有鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鋅空氣電池等，綜合國內外目前的研究成果，鋰離子電池由于其循環使用壽命長、無記憶效應、比功率大、綠色環保等優點被廣泛應用于電動汽車動力電池。本文選擇鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池作為單體電池進行研究。由于鋰離子電池對溫度很敏感，溫度低于適用范圍時，其使用性能下降，容量降低，易出現過放電現象，降低電池壽命；溫度高于適用范圍時，其化學反應速率加快，電池的使用性能下降，嚴重時還易導致熱失控現象的產生。因此，保持合適的溫度對于發揮鋰離子電池的性能顯得非常重要。

二、冷卻方式的選擇

電池熱管理系統是通過各種方式，對電池進行溫度控制，及時降溫及加熱，保證電池包的整體溫度在最佳的工作范圍內，并保證單體電池間以及電池模塊間的溫度均勻性。電池熱管理的方法主要分為：主動冷卻和被動冷卻。一般情況下，按不同的冷卻介質又分為：空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻等。

圖1 并行通風

(一)空氣冷卻

空氣冷卻分為自然風冷和強制風冷兩種，由于自然風冷的效果不佳，一般廣泛采用強制風冷。強制風冷是指通過風扇等動力設備或空調系統的輔助蒸發器進行冷卻。按照空氣的流通方式其又分為：串行通風和并行通風。大量的研究表明，并行通風如圖1的冷卻效果更好。

下圖2是在AMESim中對5節單體鋰離子電池進行并行通風的仿真，參數設定選定為某客車的電池包單體電池的相關參數，電池的質量為0.380744kg。圖3為這5節單體電池進行空氣冷卻后的溫度變化曲線。電池SOC從100開始，以1C開始放電，電池設定的初始溫度為40度，環境溫度設為20℃。

圖2 空氣冷卻

圖3 空氣冷卻電池溫度變化圖

(二)液體冷卻

液體冷卻分為直接接觸式液冷和間接接觸式液冷。由于直接接觸式冷卻對冷卻液的選擇有很大的限制，對比兩種冷卻方式的優缺點，綜合選擇間接接觸式液冷。同樣是利用AMESim對5節單體鋰離子電池進行液冷仿真，如圖4所示。仿真運行結束后，5節電池的溫度仿真結果如圖5所示。參數設置同空氣冷卻。

圖4 液體冷卻

圖5 液體冷卻電池單體溫度變化圖

圖6 不同放電倍率下電池單體的溫度圖

從仿真結果可以看出，相同參數下，液體冷卻對單體電池的溫度控制和溫度均勻性明顯高于空氣冷卻。

再在此基礎上對單體電池進行1C、2C、3C、4C、5C放電仿真。結果如圖6所示。

由圖可以看出，可以看出放電倍率越大對電池的溫控越差。即電池充放電倍率越大，電池的溫升越大。

(三)相變材料冷卻

相變材料冷卻也稱作PCM冷卻，是指在單體電池之間填充相變材料，利用相變材料的相變特性，從而對電池包的溫度進行調整與控制。目前相變材料冷卻還處于發展階段，并不成熟。

三、電池熱管理設備的安放

(一)電池箱的設計要求

電池箱在設計時應考慮如下要求：

(1)絕緣、密封性及防水性

(2)通風及散熱性

(3)箱體強度的要求

(二)電池包的安裝方式

1.頂置

將電池熱管理系統安裝固定在電動客車的車頂支架處。其優點如下：由于車頂車架的可拆裝性，對于電池熱管理系統的安裝，拆修都提供了便利性，提高了裝配的效率；由于設備安裝在車頂，不易積聚灰塵，換熱效率良好；不影響客車內部空間布置；由于安裝面的平穩性，保證了各管路冷卻液循環的一致性，對溫度的均勻性有很大的提升。其缺點如下：增加了車頂蓋及側面的負荷，需要車身具有更高的承受載荷能力，提高了客車整體的重心，降低了車輛行駛的平穩性以及安全性，受太陽輻射大，提升整體電池包溫度。

2.底置

將電池熱管理系統安裝固定在客車底架處。其優點如下：相比頂置安放而言，減少了車頂蓋以及側面的承受載荷，降低了車身的重心，增強了客車的行駛安全性和平穩性。其缺點如下：由于車輛在行駛過程中不可避免會遇到水路，土地等環境惡劣地帶。所以將電池熱管理系統安裝于車輛底架處時與要考慮其位置高低，防止由于水路帶來的阻力，使得冷卻管中流量不一致，造成電池溫度不均勻，以及環境惡劣地帶的灰塵，影響換熱效率；由于系統在底部，對于安裝，拆卸也有一定的不便；對車輛底架的承載能力有一定的要求。

3.后置

將電池熱管理系統安裝于車輛的后艙處。其優點如下：受外界條件干擾小，如：太陽輻射、不同路況等；對客車行駛平穩性及安全性沒有造成過多干擾；系統的安裝拆修比較方便；其缺點如下：減少了客車內部的空間。

基于三種電池熱管理系統的放置方式，本文選擇后置式。

四、空調系統與電池熱管理設備的耦合

(一)傳統液冷水箱散熱的仿真

參照某電動客車電池模組采用5排7列的布局，對單個模組進行傳統的水箱散熱。設置環境溫度為20℃，電池初始溫度為45℃，電池SOC從100開始放電，仿真時長為1200S。基于AMESim的傳統水箱散熱的簡單放電回路的搭建，如下圖7所示。

圖7 傳統水箱散熱圖

最終仿真結果，每排電池取了1-2個單體電池，如圖8所示。

圖8 電池溫度圖

(二)空調系統與電池熱管理系統進行復合冷卻

同樣參照某客車的電池包模組，參數設置與傳統水箱散熱一致。基于AMESim的空調復合冷卻回路模型的搭建如下圖9所示。

圖9 空調系統復合冷卻回路圖

仿真時長1200S，每排選擇1-2個電池單體進行溫度仿真，結果如圖10所示。比較傳統水箱散熱可以看出，溫度下降的速度要大于傳統水箱散熱，散熱性能也要優于傳統的水箱散熱。

圖10 電池溫度圖

五、總結

對比以上幾種比較和仿真結果，可以看出：對于鋰離子電池來說，目前，液體冷卻的散熱效果優于其他的冷卻方式；電池包后置式放置可以更好的保證電池包的性能；空調系統輔助式電池熱管理系統的性能也優于傳統水箱散熱。