吳澤民，潘香英，馮 超

（東風(fēng)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(dòng)汽車的核心部件，是電動(dòng)汽車惟一的動(dòng)力來源，直接影響到電動(dòng)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(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，目前在純電動(dòng)汽車電池組中得到良好應(yīng)用［1，2］。但鋰離子電池的性能對(duì)溫度變化較敏感，尤其是純電動(dòng)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(dòng)性能基本能夠滿足純電動(dòng)汽車的要求，但在高溫或大倍率放電情況下使用時(shí)，電池組存在長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境、熱量不能有效擴(kuò)散的問題。由于純電動(dòng)汽車所需電池?cái)?shù)量較多且裝載空間有限，電池均需為緊密排列連接，當(dāng)電動(dòng)汽車在不同工況下行駛，電池組會(huì)以不同倍率放電，以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，隨著時(shí)間累積及空間影響會(huì)產(chǎn)生不均勻的熱量聚集，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)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(fù)雜工況條件下運(yùn)行，更容易導(dǎo)致電池組系統(tǒng)溫度過高和溫度分布不均衡。如果整個(gè)電池組在高溫下得不到及時(shí)的通風(fēng)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(yán)重時(shí)還會(huì)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(shè)計(jì)電池組熱管理系統(tǒng)。

2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電池系統(tǒng)的隔熱設(shè)計(jì)

針對(duì)夏季高溫天氣，由于長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)彷椛?，熱量進(jìn)入到電池箱內(nèi)部，導(dǎo)致電池組溫度過高，加上車輛行駛時(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路:在夏季高溫環(huán)境下減少熱輻射進(jìn)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(shè)計(jì)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(jìn)行性能驗(yàn)證。試驗(yàn)步驟如下:先將準(zhǔn)備好的2個(gè)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(gè)溫度傳感器，然后將2個(gè)箱體放到高溫箱中進(jìn)行試驗(yàn)。

為獲得更好的試驗(yàn)效果，將高溫箱溫度升到65℃進(jìn)行兩種材料的隔熱效果驗(yàn)證。試驗(yàn)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(shè)計(jì)選用材料B進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)。

為驗(yàn)證隔熱材料是否會(huì)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(dòng)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(dòng)汽車行駛工況

由圖3對(duì)比可以看出，電池組在設(shè)計(jì)隔熱膜前和設(shè)計(jì)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(dòng)汽車行駛中，隔熱設(shè)計(jì)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(jī)散熱設(shè)計(jì)

針對(duì)電動(dòng)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(jī)散熱設(shè)計(jì)的方式:在電池箱內(nèi)部安裝空調(diào)壓縮機(jī)制冷單元，壓縮機(jī)制冷后通過蒸發(fā)器采用強(qiáng)制對(duì)流，將冷氣送向電池箱內(nèi)。壓縮機(jī)采用風(fēng)機(jī)散熱，外部冷凝器同樣采用風(fēng)機(jī)散熱。壓縮機(jī)由感溫部分、溫度設(shè)定主體部分、執(zhí)行開閉的微動(dòng)開關(guān)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(xì)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(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，通過彈性元件和快速瞬動(dòng)機(jī)構(gòu)，自動(dòng)開啟觸頭，以達(dá)到自動(dòng)控制散熱降溫的目的。帶空調(diào)壓縮機(jī)散熱設(shè)計(jì)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(gè)溫度傳感器，對(duì)散熱效果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)步驟如下:將裝有壓縮機(jī)散熱設(shè)計(jì)的電池箱放到高溫箱中，調(diào)節(jié)溫控設(shè)備升溫至50℃后保持恒溫；當(dāng)電池組內(nèi)溫度傳感器達(dá)到與高溫箱環(huán)境溫度相同時(shí)，啟動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)散熱裝置。記錄整個(gè)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(jī)對(duì)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(dǎo)體散熱設(shè)計(jì)

同樣針對(duì)電動(dòng)汽車在行駛過程中電池組發(fā)熱量較大，采用帶半導(dǎo)體散熱片的風(fēng)扇進(jìn)行電池系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)。

在電池箱上安裝帶半導(dǎo)體風(fēng)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(fēng)道。散熱系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有溫度控制系統(tǒng)。當(dāng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)采集到的溫度高于設(shè)定值時(shí)，散熱系統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷片會(huì)開啟進(jìn)行降溫處理。當(dāng)溫度降低到設(shè)定值以下，散熱系統(tǒng)停止工作，以保證電池組運(yùn)行在適宜的溫度范圍。帶半導(dǎo)體散熱設(shè)計(jì)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(gè)溫度傳感器，對(duì)散熱效果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)步驟如下:將電池箱放入高溫箱中，調(diào)節(jié)溫控設(shè)置升溫至50℃后保持恒溫；當(dāng)電池組內(nèi)溫度傳感器檢測(cè)到溫度達(dá)到50℃時(shí)，開啟散熱系統(tǒng)。記錄整個(gè)過程溫度變化，結(jié)果如圖7所示。

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

3 結(jié)論

對(duì)比以上幾種熱管理設(shè)計(jì)可以看出:隔熱設(shè)計(jì)可有效減少高溫?zé)彷椛溥M(jìn)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(dòng)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(duì)其他兩種設(shè)計(jì)，隔熱設(shè)計(jì)的熱管理效果明顯、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于產(chǎn)業(yè)化。

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附:補(bǔ)充說明

針對(duì)審稿專家提出的 “補(bǔ)充低溫起動(dòng)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(dòng)的問題，因?yàn)閲?guó)標(biāo)要求的-20℃起動(dòng)條件基本都能達(dá)到。