李兵

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥　230051）

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動力鋰電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)的設計及實驗研究

李兵

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

摘要：設計一種動力鋰電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)進行冷卻和加熱的對比實驗。結果表明，應用該管理系統(tǒng)能夠提高電池冷卻或加熱的一致性，并大大縮短電池的冷卻或加熱時間，同時明顯降低熱管理的能耗。該系統(tǒng)已在部分車輛上實際應用，可為電池熱管理系統(tǒng)的設計提供參考。

關鍵詞：動力鋰電池；并聯(lián)式；液相熱管理系統(tǒng)

動力電池的性能很大程度上決定電動汽車的性能[1-5]。鋰離子電池與傳統(tǒng)可充電電池相比較，具有工作電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應等優(yōu)點。因此，已成為近幾年電動汽車用的動力電池[3，6-7]。鋰電池雖有上述優(yōu)點，但缺點也是顯而易見的。如錳酸鋰和三元材料鋰電池在高溫下正極材料容易分解，磷酸鐵鋰電池的低溫充電性能不好等[3，8-9]。所以在高溫、低溫或在溫度不均衡情況下使用鋰電池都是不安全的[10-11]。因此，使用電池熱管理系統(tǒng)對電池進行冷卻或加熱，是解決鋰電池高、低溫性能不好的有效手段之一[3]。本文對動力電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)進行實驗，研究電池在冷卻或加熱后的溫度差異，以及冷卻或加熱所需時間，同時也研究該熱管理系統(tǒng)的電能消耗。

1　動力鋰電池并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)設計

并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)是針對動力鋰電池的使用所設計的對動力電池的冷卻和加熱系統(tǒng)，其特征在于不同電池箱之間的熱管理液相水路是并聯(lián)的。因此，能夠快速、穩(wěn)定地對動力鋰電池進行冷卻或加熱。

本文所述的動力鋰電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)，就是將一車輛上的所有電池箱的進水管并聯(lián)在一起，所有出水管并聯(lián)在一起，保證在熱管理時液體能夠同時進入和流出不同的電池箱體，從而能夠對車上的所有鋰電池進行同時冷卻和加熱，提升熱管理效果。該系統(tǒng)目前已在安凱13.7 m K07CHEV城際混合動力客車上實際應用，實車裝配的單體電池數(shù)量198個，共33個箱體串聯(lián)，總電壓及容量分別為634V和200Ah。為了驗證該系統(tǒng)的效果，同時考慮到實驗的可操作性和安全性，選取其中的5箱電池在實驗室進行驗證，系統(tǒng)連接如圖1所示。

該系統(tǒng)中，加熱器2的出水口連接第一箱進水三通閥的一端，三通閥的另一端為出水口，接第二箱進水三通閥的一端，……，如此五個箱體的進水三通閥依次相連，在第五箱的進水三通閥出水端安裝堵頭；同樣五個箱體的出水三通閥依次相連，在第一箱的出水三通閥的一端安裝堵頭。第五箱出水三通閥的出水口接電子三通閥4的進水口，電子三通閥4的兩個出水口分別接膨脹水箱5的進水口和冷卻水箱6的進水口。另外，對于電池箱熱管理儲液容器的設計分內腔和外腔，內腔用于儲存調溫液體，外腔用于安裝鋰電池，如圖2所示。

圖1　并聯(lián)式熱管理系統(tǒng)水路連接圖

圖2　電池箱內電池在冷卻容器的安裝圖

腔體采用銅質材料，表面鍍鎳，厚度為2 mm，在腔體同一側的下端和上端分別設置有進水孔和出水孔；將外腔裝配好電池后整體放在電池箱內，每個電池箱裝相同型號及數(shù)量的6個單體電池，再將腔體的進水孔和出水孔處分別連接一個三通閥，電池箱體的大小以裝下整個電池腔體為宜，在高度方向預留有電池的線束走向空間即可。將國內某電池廠動力鋰電池安裝在該熱管理系統(tǒng)中，其中，單體電池的額定容量為200 Ah，標稱電壓為3.2 V，尺寸為長150 mm×寬80 mm×高255 mm。

為了檢驗動力鋰電池并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)的效果，本文選用目前市場上比較常用的空氣冷卻和電加熱系統(tǒng)（簡稱為常規(guī)系統(tǒng)）與本系統(tǒng)進行比對。常規(guī)系統(tǒng)采用在每個箱體內裝配40W的風扇（五個箱體的風扇總功率與圖1中的冷卻風扇8的功率相同），電池箱開百葉窗保證氣流暢通；其電加熱系統(tǒng)采用在每個電池箱體內壁設置120 W的加熱帶（五個箱體的加熱帶總功率與圖1中的加熱器2的功率相同），并將電池箱的百葉窗密封，常用的冷卻和加熱系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　常規(guī)的冷卻和加熱系統(tǒng)連接

2　熱管理系統(tǒng)的實驗及分析

2.1實驗方法

在對圖1所示的熱管理系統(tǒng)進行電池冷卻實驗時，箱體外部環(huán)境為恒溫25℃，用1C電流對電池充放電。當電池的最高溫度達到35℃時，開啟水泵1和電子三通閥4和冷卻水箱6的出水口，同時開啟風扇8，使水路循環(huán)對電池進行冷卻；當電池的最高溫度達到30℃時，關閉以上三個器件停止冷卻。在進行電池加熱實驗時，箱體外部環(huán)境為恒溫零下5℃；當電池的最低溫度為0℃時，開啟水泵1和加熱器2，同時開啟電子三通閥4和膨脹水箱5的出水口，使水路循環(huán)對電池進行加熱；當電池最低溫度達到5℃時，關閉以上三個器件停止加熱。

對圖3所示的常規(guī)系統(tǒng)的電池冷卻和加熱實驗與上述實驗環(huán)境溫度相同。采用24V蓄電池為各箱體并聯(lián)供電，分別用冷卻和加熱控制開關控制電池的冷卻和加熱。在進行電池冷卻實驗時，用1C電流對電池充放電。當電池的最高溫度達到35℃時，開啟風扇，對電池進行冷卻；當電池的最高溫度降低到30℃時，關閉風扇，停止對電池冷卻。在進行電池加熱實驗時，當電池的最低溫度為0℃時，開啟加熱帶，對電池進行加熱；當電池最低溫度達到5℃時，關閉加熱帶，停止對電池加熱。

電池的溫度測量采用在每個電池箱裝三個溫度探頭，分別裝在不同位置的電池上，且不同箱體的溫度探頭對應位置相同，電池的冷卻和加熱都采用智能控制，冷卻和加熱實驗都分別做三次。記錄每次開始實驗和停止實驗時電池的溫度，同時記錄實驗時間。

2.2冷卻實驗

并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)冷卻實驗的電池由最高溫度35℃降至最高30℃時，電池的溫度及時間數(shù)據(jù)如表1-表5所示。

表1　第一次冷卻對比實驗溫度記錄表　℃

表2　第二次冷卻對比實驗溫度記錄表　℃

表3　第三次冷卻對比實驗溫度記錄表　℃

表4　冷卻實驗溫度極差統(tǒng)計表　℃

表5　冷卻實驗時間統(tǒng)計表　min

由上表可以得出，用并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)冷卻后，電池之間溫差不大；而采用常規(guī)系統(tǒng)冷卻的，電池之間溫差較大。因此，使用并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)對動力電池進行冷卻，能夠明顯提高電池溫度的一致性，而且能夠明顯降低冷卻所用的時間；每次冷卻節(jié)約的電量為（35.5-11）/60×200=81.7 Wh。

2.3加熱實驗

并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的加熱實驗電池溫度由最低溫度0℃升至最低5℃時，電池的溫度及時間數(shù)據(jù)如表6-表10所示。

表6　第一次加熱對比實驗溫度記錄表　℃

表7　第二次加熱實驗溫度記錄表　℃

表8　第三次加熱實驗溫度記錄表　℃

表9　加熱實驗溫度極差統(tǒng)計表　℃

表10　加熱實驗溫度極差統(tǒng)計表　℃

由上表可以得出，用并聯(lián)式液相加熱后，電池之間溫差不大；而采用常規(guī)系統(tǒng)加熱的，電池之間溫差較大。因此，使用并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)對動力電池進行加熱，能夠明顯提高電池溫度的一致性，而且能夠明顯減少加熱所用的時間，每次加熱節(jié)約的電量為（54.8-22.5）/60×600=323 Wh。

3　結束語

實驗結果表明，采用并聯(lián)式液相系統(tǒng)對動力鋰電池進行冷卻或加熱，能夠提高電池溫差的一致性，大大縮短冷卻或加熱的時間，同時能夠明顯地降低電能的消耗。目前采用該方式對動力鋰電池熱管理主要是在10 m以上的電動客車上應用，乘用車和小型客車上暫時還沒有應用，主要是受到水路系統(tǒng)安裝空間的影響。隨著后期研究的深入，水路系統(tǒng)將會朝著集成一體化方向發(fā)展，所需的裝配空間也會越來越小，有望可以在電動乘用車和小型客車上使用該系統(tǒng)。

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修改稿日期：2015-09-30

Design and Experiment Research on Parallel Type of Liquid Phase Thermal Management System for Power Lithium Battery

Li Bing
（Anhui Ankai Autombile Co., Ltd, Hefei 230051, China）

Abstract：In this paper, the parallel liquid phase thermal management system of power lithium battery is designed, the cooling and heating system experiments are carried out as well by comparing the common system. The result shows that this system can improve the cooling and heating temperature consistency of the batteries, greatly shorten the batteries coolingor heatingtime, and obviouslyreduce the energyconsumption ofthermal management. The system has been applied in some vehicles and can provide reference for the design of the battery thermal management system.

Key words:power lithiumbattery; parallel type; liquid phase thermal management

作者簡介：李兵（1973-），男，工學碩士；工程師。

基金項目：國家科技支撐計劃課題（2014BAG06B00）

中圖分類號：U469.7；TN37

文獻標志碼：B

文章編號：1006-3331（2016）01-0054-03