新能源汽車動力電池防寒防凍性能檢測裝置的設計與實現

黃敏雄

摘要：動力電池是新能源汽車的三大組成部件（電池、電機、電控）之一，它的工作性能影響著新能源汽車的續航能力。溫度對動力電池性能、壽命及安全性均有影響，高效合理地設計電池的冷卻系統對電池的正常工作有重要作用。本方案設計新能源汽車電池的防寒防凍性能檢測裝置，保障新能源汽車動力電池電性能及熱管理控制系統高效、穩定、安全運行，從而滿足新能源汽車在各種工況下安全穩定工作有著積極意義。

Abstract： Power battery is one of the three major components （battery， motor and electronic control） of new energy vehicles，Its performance affects the endurance of new energy vehicles.Temperature has an effect on the performance， life and safety of power battery[4]. The efficient and reasonable design of the cooling system of battery plays an important role in the normal operation of battery.In this project， the cold proof and antifreeze performance testing device of new energy vehicle battery is designed，Ensure the efficient， stable and safe operation of the power battery electrical performance and thermal management control system of new energy vehicles，It has positive significance to meet the safety and stability of new energy vehicles in various working conditions[5].

關鍵詞：動力電池;防寒防凍;設計

Key words： power battery;cold proof and antifreeze;design

中圖分類號：TM911.46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0131-02

0? 引言

新能源汽車動力電池檢測項目主要包括：

①安全性能。過充電、過放電、短路、擠壓、針刺、重物沖擊、跌落、熱濫用、低氣壓、海水浸泡、洗滌、外部火燒等。②電性能。容量（20℃放電容量（單體/模塊）、-20℃放電容量、55℃放電容量、20℃倍率放電容量）、倍率放電、內阻、循環壽命、加速老化、SOC標定、貯存性能、荷電保持能力、能量效率。③環境可性能。溫度循環、溫度沖擊、恒定濕熱、機械振動、機械沖擊、絕緣性測試。

對北方新能源車主而言，克服電動車的低溫里程衰減問題是一件頗為棘手的問題，同時還存在半路沒電推車、穿羽絨服不開暖風、柴油救援、車內電暖器等尷尬問題，核心問題是電池充放電能力弱。電池的端電壓是衡量其性能的最基本參數，端電壓過低，則影響用電設備的正常使用。

試驗證明，新能源動力電池其充放電的過程就是電池內部電子轉移的過程。而在低溫環境下，電解液粘度增大，離子的轉移會受到更大阻力，大大降低充放電的效率（是的，低溫下充電也會受到影響），進而影響到電池的容量和續航。

美國汽車協會（_American Automobile Association_）之前曾對數款新能源汽車進行低溫測試。數據顯示，當溫度下降到約零下6攝氏度時，電動車的平均行駛里程減少了41%。而我國前不久剛剛發布的新能源汽車評價規程中也涉及了電動汽車低溫里程衰減的相關內容，在其首次測評發現，同在WLTC工況下測試，多款車低溫行駛的續駛里程縮減幅度28%到53%。從這個意義上講，動力電池防寒保溫是冬季安全車的前提。

對電池的本身而言，從整車能源設計角度考慮對電池能量的回收利用效率進行研究，也是一個可取的熱管理方案。目前所采取的辦法一是將電池熱管理、電機循環系統、空調熱泵與壓縮機等各個熱循環聯系在一起，進行集成化管理，讓多余的熱量和動能反向補償回整套系統當中，實現多余熱量與動能的二次利用。根據其數據顯示，在相同的-10°C低溫下，搭載這套系統的電動汽車續航能力能夠提高26%左右。二是采取各種保溫措施及防護措施（如風駿皮卡采用的德國博世原裝GSK型預熱塞，能使其在零下35℃一次性啟動成功。）三是保證電池聯結的可靠性、清潔性、密封性。

隨著傳統能源的日漸枯竭，空氣污染問題日益嚴重及工業自動化水平的逐漸提高與完善，新能源汽車已經進入到汽車市場和消費者的視野，擁有一輛續航能力高的新能源汽車是廣大車主的期望。新能源汽車動力電池在充放電過程中，由于電池本身的阻抗以及電池內部發生化學反應，組成結構材料內嵌入、脫嵌以及轉移時受到的物理阻力而產生的歐姆內阻熱。從而產生大量的熱量，使得電池溫度急劇上升和單體電池間的溫度分布不均勻，從而使電池組內出現溫度梯度，以至于導致電池組整體性能下降，甚至發生熱失控。電池的散熱及防寒防凍性能非常關鍵，如果在寒冷的天氣使電池無法運行，或者使得電池的損耗較大而大大縮減續航，就會影響對汽車的正常行駛，現有的都是通過一些儀器進行檢測，但存在不夠直觀、也不能夠模擬寒冷的空氣條件的缺陷，影響對電池性能的檢測效果[3]。設計電池防寒防凍性能檢測裝置，保證電池的安全性、充放電性能和延長電池壽命，優化高效的電池熱管理系統具有重要的實踐價值。

1? 設計原理

新能源汽車電池防寒防凍性能檢測裝置（圖1）通過模擬外界的寒冷空氣環境，直觀對電池的性能進行檢測。本設計裝置包括：底座，底座上表面固定安裝有導向架，導向架上表面中部固定安裝有頂桿，頂桿頂端固定安裝有用于容納新能源電池的盛放箱，盛放箱上側裝有端蓋，盛放箱的前后兩側面穿有通氣管，通氣管內壁裝有電控的制冷片，盛放箱左右兩側面均勻安裝有通氣的導向管，導向管外側安裝有固定在導向架上的支撐板，左右兩側支撐板之間固定連接有橫桿，導向管外端固定連接有螺旋彈簧，螺旋彈簧內部套有滑桿，滑桿外端固定安裝有推板，滑桿與導向管滑動配合且滑桿伸入導向管的一端裝有活塞;推板與產生動力的導輪相鄰設置。

2? 結構設計說明

設計底座，底座上表面固定安裝有導向架，設計導向架表面兩側對稱套有滑塊，滑塊與導向架之間裝有緊固螺釘，滑塊上表面固定有支撐桿，支撐桿上端固定安裝有電機，電機中部安裝有轉軸，轉軸表面固定套裝有凸輪，所述凸輪外端裝有導輪。

設計導向架上表面中部固定安裝有頂桿，頂桿頂端固定安裝有用于容納新能源電池的盛放箱，盛放箱上側裝有端蓋，盛放箱的前后兩側面穿有通氣管，通氣管內壁裝有電控的制冷片，盛放箱左右兩側面均勻安裝有通氣的導向管，導向管外側安裝有固定在所述導向架上的支撐板，左右兩側的支撐板之間固定連接有橫桿，導向管外端固定連接有螺旋彈簧，螺旋彈簧內部套有滑桿，滑桿外端固定安裝有推板，滑桿與導向管滑動配合且滑桿伸入導向管的一端裝有活塞，推板與導輪相鄰設置，以通過所述緊固螺釘的調節，實現對電機位置和滑桿的形成進行調節。

3? 功能設計說明

①根據圖1功能設計要求的新能源汽車電池防寒防凍性能檢測裝置，其特征在于導向架為長方形框體，滑塊中部開有的經滑動調節固定位置的槽。②根據功能設計圖1中的新能源汽車電池防寒防凍性能檢測裝置，根據成本及要求設計活塞為橡膠活塞。③根據功能設計圖1中的新能源汽車電池防寒防凍性能檢測裝置，其導輪采用能在凸輪推動推板時，將滑動摩擦轉換成滾動摩擦以對凸輪和推板起保護作用的導輪。

4? 設計操作過程

操作步驟如下：將端蓋1打開，將電池放入盛放箱2內，并且將電池接通新能源汽車，并且對緊固螺釘18進行調節，對滑塊15的位置進行調整，將電機13和制冷片4接通附近的電源，操作人員將制冷片4的開關打開，再將電機13的開關打開，此時就會使用制冷片4進行制冷，而電機13會帶動轉軸12轉動，帶動凸輪11轉動，進而使用凸輪11對推板9反復推動，使滑桿8在導向管6內反復滑動，從而就會通過通氣管3向盛放箱2內通入冷空氣，反復使用冷空氣對盛放箱2內放置的電池進行沖擊，將汽車啟動。

觀察汽車上的功能表，看電池的性能是否有所影響，更加直觀實現對電池防寒防凍性能的檢測。其中滑塊15主要是在初始階段調導輪10與推板9之間的距離，一經固定，在實際的工作過程中，滑塊15、盛放箱2及左右兩側的支撐板14在導向架16上的位置關系是不變。

5? 設計效益

通過對緊固螺釘的調節，就可以對電機的位置進行調節，也就可以對滑桿的行程進行控制。在工作過程中，對推板推動的時候就是從通氣管出氣，而停止推板推動之后會通過彈簧的作用使推板帶動滑桿向外滑動，就會從通氣管進氣。再通過制冷片的設置，利用制冷片可以在抽風的時候產生涼風，使用涼風直接作用于盛放箱內放置的電池，通過對外界冷空氣的模擬，可以直觀對電池的性能進行檢測，從而取代了現有的儀器數據的分析檢測，提高了操作時效，現實中只需要將電池連接在汽車的發動機上，直觀觀察冷空氣對電池的影響;同時也打破傳統的檢測方式，減少了操作步驟，提高了操作的方便性，適用性強。

參考文獻：

[1]鄭新，劉耀輝，李濤，劉寧.基于STM32的鋰動力電池檢測裝置的設計[J].機電信息，2019（27）.

[2]董文浩.動力電池倉儲時溫度監測告警系統設計[J].信息技術與信息化，2019（7）.

[3]王曉輝，徐自強，林金明，吳孟強，李元勛.動力電池PACK狀態監測系統設計與實現[J].電源技術，2019（06）.

[4]楊巍.基于NB-IoT的智能倉儲溫濕度實時監控系統設計[M].吉林大學，2019.

[5]王龍，孫謹哲.電動汽車動力電池檢測系統設計[J].山東工業技術，2018（17）.