電動汽車外置充電的溫度控制裝置設(shè)計

龔益女 劉明旭 王富民

摘要：通過對電池現(xiàn)有的冷卻方式進行對比分析，發(fā)現(xiàn)電動汽車仍然存在嚴寒條件下充電慢，炎熱條件下充電時電池過熱所引發(fā)的安全問題。基于此，本文設(shè)計了一種使用外置溫度控制裝置，輔助車載熱管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)電池充電時的溫度，提高充電效率。同地保證溫度恒定，從而可靠保證安全問題，有效延長電池的使用壽命。

關(guān)鍵詞：電動汽車充電;熱管理;外置溫度控制裝置;溫度調(diào)節(jié)

0? 引言

近年來，電動汽車在市面上迅速崛起，并有占領(lǐng)未來汽車市場之勢。但因電池使用壽命短、安全性能欠缺等原因制約著電動汽車的普及。雖然一些專家從電池材料、充放電過程、冷卻方式等方面提出多種解決方案，但是，仍存在低溫環(huán)境下，電池充電難、充電慢、充電效率低等問題;而在高溫條件下，電池散熱不良，導(dǎo)致充電安全性能下降等問題依然存在。因此，本文設(shè)計了一種充電時外置溫度控制裝置，具有輔助電池充電時的溫度調(diào)控，即在低溫下輔助加熱、高溫下輔助散熱的功能，并且具有可移動性特點。

1? 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)類型及優(yōu)缺點

在電池的使用壽命、安全性能及使用成本等問題上，電池的熱管理系統(tǒng)起著決定性作用。過高或過低的溫度都會影響電池性能，也會影響充放電時能量損失。因此電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是保證電池安全工作、壽命長短等的關(guān)鍵技術(shù)之一，也決定電動汽車續(xù)駛里程。

1.1 低溫預(yù)熱方式

1.1.1 內(nèi)部加熱方法

電池內(nèi)部加熱是通過電池自身充放電時產(chǎn)生的熱量對電池進行預(yù)熱的方法。Shankar Mohan 采用了一種雙向電流脈沖的預(yù)熱方式對鋰電池進行預(yù)熱，其中電流的幅值是變化的，以減小極化作用為限制條件，仿真結(jié)果表明這種預(yù)熱方法能夠減少 20%的電池能量損失。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點是加熱時間短，而且效率高。但其缺點也很明顯，表現(xiàn)在低溫條件下，必須對電池進行充放電，會造成電池的壽命下降，因此，不適合用在電池預(yù)熱系統(tǒng)中。

1.1.2 外部加熱方法

電池外部加熱是使用電熱膜、電熱絲或者液體循環(huán)管等給電池加熱。王發(fā)成等利用電熱絲對電池箱風(fēng)道進風(fēng)口的空氣進行加熱，通過空氣循環(huán)對電池進行預(yù)熱。袁浩等人則采用液體循環(huán)管的方式制作了帶有預(yù)熱和散熱功能的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點是電池加熱時不會過熱，并且比較安全，電池升溫快。其缺點是給電池預(yù)熱時，熱量不均勻，出現(xiàn)局部溫度過高或過低現(xiàn)象，影響電池的壽命。

1.2 電池高溫散熱方式

1.2.1 風(fēng)冷式散熱方式

風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)是讓空氣流經(jīng)電池表面帶走動力電池所產(chǎn)生的熱量，達到對動力電池組散熱的目的。風(fēng)冷式又有自然對流散熱和強制通風(fēng)散熱兩種方式，動力電池風(fēng)冷式散熱主要有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種類型。

這種散熱系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低。其缺點是散熱效果較差，很難達到較高的電池均溫性。

1.2.2 液冷式散熱方式

動力電池的液冷式散熱系統(tǒng)是指制冷劑直接或間接地接觸動力電池，然后通過液態(tài)流體的循環(huán)流動把電池包內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶走達到散熱效果的散熱系統(tǒng)。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點是散熱均衡，效果較好，噪聲低。其缺點表現(xiàn)在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得整套散熱系統(tǒng)變得笨重，會增加整車的重量，使整車的負擔(dān)大大增加。同時，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及高密封性使得液冷系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)相對困難，維護成本也相應(yīng)增加。

1.2.3 制冷劑直接冷卻

直接利用制冷劑蒸發(fā)，快速高效地帶走熱量，完成對電池的冷卻。綜上所述，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的不同方式各有優(yōu)缺點，而且目前還無法僅靠汽車自身的熱處理系統(tǒng)有效處理電池充電中溫度問題。為了提升電動汽車充電效率，在低溫、高溫充電時有效控制溫度，設(shè)計了外置輔助熱處理裝置。

2? 電動汽車充電外置溫度控制裝置設(shè)計

2.1 外置充電溫度控制裝置

依據(jù)電動汽車外形尺寸不同，該裝置可以設(shè)計成一個能夠放入整車底盤下方的長方形板狀結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同類型電動汽車充電時使用。為了使該裝置有較廣泛的通用性，根據(jù)普遍應(yīng)用的電動汽車尺寸設(shè)計其外觀大小。

在外殼板上設(shè)置多個小風(fēng)扇，其上方是加熱管組。另外，外殼上搭配可拆卸的保溫材料，以滿足電動汽車在低溫環(huán)境下熱量不會快速散失，同時避免了頻繁加熱，提高熱量的利用率。使用時外殼扣在電動汽車底盤上。外殼四角上安裝溫度傳感器，溫度傳感器檢測電池充電時的溫度，并將溫度大小送給控制器。該裝置在控制器控制下啟動，根據(jù)環(huán)境溫度人為選擇散熱或加熱工作模式，再由溫度傳感器反饋的電池溫度信息，決定該裝置是繼續(xù)工作還是停止。溫度控制裝置主要組成如圖1所示。

2.2 外置充電溫度控制裝置的組成

該裝置組成主要包括預(yù)熱系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、外殼、控制器、檢測元件、保溫隔熱層等。裝置采用電阻絲進行充電時低溫預(yù)熱，風(fēng)扇用來充電高溫散熱。電阻絲預(yù)熱區(qū)塊中，將電阻絲組放在外殼內(nèi)，在電阻絲上方安放多個電動風(fēng)扇，朝向電池方向。布置溫度傳感器，監(jiān)控電阻絲溫度，防止溫度過高。預(yù)熱系統(tǒng)主要由加熱元件及其電路組成，其中加熱元件是最主要的部分，可采用恒定電阻加熱元件如金屬加熱絲組成加熱管加熱方式。散熱系統(tǒng)主要由風(fēng)扇組及其控制電路組成。這里的風(fēng)扇不僅是散熱系統(tǒng)的重要組成部分，還可以利用風(fēng)扇的低速檔，在預(yù)熱過程開始時向電池送暖風(fēng)。

2.3 外置充電溫度控制裝置的工作過程

電動汽車充電時，其最佳充電溫度為25℃。當(dāng)溫度超過38℃時，拆下保溫材料，裝置上的風(fēng)扇啟動，對該電池組進行強制散熱;當(dāng)溫度低于32℃時停止風(fēng)扇散熱。當(dāng)處于極寒環(huán)境條件時，即電池溫度低于-18℃時，安裝保溫外層，并使用該裝置的電阻加熱系統(tǒng)，并配合低轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇將熱量送至車輛底盤，對其進行輔助加熱，當(dāng)電池溫度高于10℃時停止加熱。該裝置的電路示意圖如圖2所示。

2.4 外置充電溫度控制裝置的適用范圍及優(yōu)點

該裝置主要適用于寒冷地區(qū)使用電動汽車的家庭，旨在解決在寒冷環(huán)境下給電動汽車充電帶來的問題。同時也可以應(yīng)用在炎熱的高溫條件下，目的是輔助緩解電池充電時過熱的現(xiàn)象，從而提高充電效率。另外對該裝置進行改裝，與公共充電樁組合，擴大其適用范圍。

該裝置的優(yōu)點是可移動性，操作簡單，可以有效緩解電動汽車在極端條件下電池充電困難的問題。

3? 結(jié)論

對電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)類型進行了分析，得知，電動汽車車載電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在極端天氣下不能很好調(diào)控電池充電過程中溫度，為此設(shè)計應(yīng)用于電動汽車充電過程的外置溫度控制裝置。該裝置形狀小，可以靈活移動，操作簡單，使用方便，具有輔助電動汽車在低溫充電時加熱、高溫時散熱的特點，可以緩解電池充電時效率低的問題，對電池安全性能的提高和使用壽命的延長有一定的幫助。

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