李 駿，鄧海龍，劉霏霏，龔思惠，李 梅

（華東交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，其性能是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素。近年來(lái)，鋰離子動(dòng)力電池因其高比能量、環(huán)保、無(wú)記憶特性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注，逐漸成為電動(dòng)汽車(chē)的主流電源。但在鋰離子動(dòng)力電池高倍率充放電過(guò)程中，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，并伴隨釋放較多的熱量，如果不能及時(shí)散熱，熱量將在電池內(nèi)部快速聚積，使電池溫度升高，導(dǎo)致電池使用壽命縮短，甚至降低其安全性能。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)力電池通常以電池組串并聯(lián)的形式出現(xiàn)，因此各電池單體產(chǎn)生的熱量更容易在電池組內(nèi)聚集。同時(shí)，各電池單體之間的溫度差異將會(huì)導(dǎo)致各動(dòng)力電池充放電量出現(xiàn)差異。放電時(shí)，低容量電池將會(huì)提前到達(dá)截止電壓；充電時(shí)，電池容易過(guò)充。經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)后，各電池單體之間差異會(huì)越來(lái)越大，造成惡性循環(huán)，大大降低電池組的使用壽命。因此，為延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命，降低電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)成本并提高整車(chē)熱安全性能，高效的鋰離子電池散熱系統(tǒng)是動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)必備的配置。另外，鋰離子動(dòng)力電池的性能對(duì)溫度變化較為敏感，其最佳工作溫度范圍在25℃～40℃區(qū)間[1]。在低溫環(huán)境下，電池放電性能下降嚴(yán)重，無(wú)法高效工作，因而在低溫情況下需對(duì)電池包進(jìn)行預(yù)熱。綜上，為使電池發(fā)揮出最佳性能，延長(zhǎng)電池使用壽命，需優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)研發(fā)一套高效的散/預(yù)熱系統(tǒng)。

由于汽車(chē)保有量巨大，交通狀況復(fù)雜，道路交通安全問(wèn)題日趨嚴(yán)重。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，其動(dòng)力組成有別于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全性不僅須滿(mǎn)足傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的碰撞防護(hù)要求，還需重點(diǎn)考慮其在碰撞過(guò)程中所特有的安全問(wèn)題。例如，動(dòng)力電池在碰撞過(guò)程中，電池電解液容易泄漏，各電池單元相互擠壓易造成高壓短路，甚至引發(fā)火災(zāi)、爆炸等現(xiàn)象。因此，在優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)的同時(shí)，要求電池包結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足電池單元的完整性和安全性能。在研究電池包結(jié)構(gòu)問(wèn)題上，汽車(chē)輕量化可提升電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，故還需考慮電池包的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有的電池散熱系統(tǒng)主要采用強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷以及相變材料等進(jìn)行散熱[2]。強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱原理主要是依靠空氣在鋰電池箱內(nèi)流動(dòng)，將鋰電池產(chǎn)生的熱量散發(fā)到外界環(huán)境中，這種散熱方式有著造價(jià)低、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。但由于該方式所用的工作介質(zhì)為空氣，其對(duì)流換熱系數(shù)低，導(dǎo)致散熱效果不理想。另外，強(qiáng)制風(fēng)冷容易導(dǎo)致電池包內(nèi)局部溫度不均，進(jìn)風(fēng)口附近溫度往往較低，而出風(fēng)口溫度則相對(duì)較高。液冷的散熱原理是用液體代替空氣進(jìn)行散熱，其散熱效果相對(duì)風(fēng)冷有所改善，但由于液體與電池組直接或間接接觸，存在因液體泄漏而造成電池短路的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重降低電池的使用安全性能。使用相變材料進(jìn)行散熱的原理主要利用相變材料相變時(shí)需要吸收大量潛熱而自身溫度卻保持不變的特點(diǎn)，最終吸收電池產(chǎn)生的熱量，當(dāng)相變材料完全融化后其溫度將保持在融點(diǎn)溫度不變。由于相變材料傳熱系數(shù)小、熱穩(wěn)定性差，因此，相變過(guò)程的可控性較差。針對(duì)電池包預(yù)熱系統(tǒng)，考慮到成本、質(zhì)量以及空間布置的因素，如何選擇加熱熱源以及提高加熱效率已成為目前電池包設(shè)計(jì)亟待解決的問(wèn)題之一。針對(duì)電池包避撞防護(hù)的相關(guān)設(shè)計(jì)和研究不多，主流電動(dòng)汽車(chē)的電池包結(jié)構(gòu)和車(chē)架結(jié)構(gòu)往往采用獨(dú)立設(shè)計(jì)，而成艾國(guó)[3]等人提出了一種用于電池包分布式安裝的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)架，這種結(jié)構(gòu)能在電動(dòng)汽車(chē)電池包結(jié)構(gòu)碰撞安全性和輕量化等方面能取得較好的平衡，但由于采用一體化設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)影響了整體車(chē)型設(shè)計(jì)，需要大幅度調(diào)整改進(jìn)現(xiàn)有汽車(chē)成熟的設(shè)計(jì)制造工藝，致使成本相對(duì)較高，進(jìn)而影響其市場(chǎng)推廣。

2 設(shè)計(jì)要求

2.1 碰撞安全性能要求

電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，車(chē)用電池包應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：1）發(fā)生碰撞時(shí)，應(yīng)避免電池模塊或單體由于碰撞而從電池箱體中散落。2）發(fā)生碰撞時(shí)，應(yīng)保證電池箱有足夠的強(qiáng)度以避免電池箱內(nèi)部電池、電氣元件等受擠壓而造成短路現(xiàn)象。

2.2 通風(fēng)散熱性能要求

車(chē)用電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行尤其汽車(chē)在持續(xù)的大負(fù)載高速行駛時(shí)，電池組在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，在汽車(chē)快速充電的情況下，電池組也會(huì)產(chǎn)生大量熱能。為保障電池使用壽命和電池安全，電池包的設(shè)計(jì)具備以下要求[4]：1）在箱體內(nèi)空間允許的前提下，電池模塊之間應(yīng)留有適當(dāng)?shù)目障?，以滿(mǎn)足電池結(jié)構(gòu)熱膨脹和散熱的需要。2）根據(jù)電池放熱特性和電池箱體容量大小匹配散熱風(fēng)流量，同時(shí)應(yīng)具有足夠的安全系數(shù)。3）通過(guò)電池箱體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)置以使每個(gè)單體電池能夠充分散熱，電池箱體溫度應(yīng)控制在鋰離子動(dòng)力電池最佳工作溫度區(qū)間，且應(yīng)均勻散熱，電池箱體內(nèi)溫差不大于5℃。

2.3 預(yù)熱性能要求

由于電池單元內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)受溫度影響較大，在溫度較低的情況下會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部正常化學(xué)反應(yīng)受到影響，此時(shí)需對(duì)電池包進(jìn)行預(yù)熱，應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：合理考慮成本、質(zhì)量、空間的布置問(wèn)題，設(shè)置安全可靠的預(yù)熱裝置，使電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包在寒冷環(huán)境下能夠正常啟動(dòng)，且不影響電池的工作性能。

2.4 絕緣與防水性要求

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池輸出的電壓較高，電壓一般超過(guò)200伏。因此，動(dòng)力電池包應(yīng)有效隔絕人與電池的直接接觸。同時(shí)，電池箱體須進(jìn)行密封，防止由于水滲透而導(dǎo)致電池短路現(xiàn)象的發(fā)生，需滿(mǎn)足以下要求[5]：1）電池兩極連接板與電池包箱壁的最小距離應(yīng)大于10mm，以防止擊穿放電。2）電池包應(yīng)整體電泳噴涂，內(nèi)部加裝絕緣板或涂覆絕緣漆。3）電池包體的焊縫處須涂加密封膠，箱體頂蓋與下箱體配合處需添加密封材料，接插件固定部位應(yīng)采取相應(yīng)密封措施。4）在電池包布置安裝時(shí)應(yīng)避免與底盤(pán)部件和車(chē)身干涉，箱體最低點(diǎn)應(yīng)不小于整車(chē)的最小離地間隙，以保障不同路況下整車(chē)的通過(guò)性能。5）電池包接插件安裝孔和進(jìn)出風(fēng)口應(yīng)布置在電池箱體的二分之一高度位置。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

考慮動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車(chē)唯一的動(dòng)力源，其性能是影響電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的首要因素[6]。動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使電池溫度快速上升，且電池組內(nèi)部溫度分布不均，若不能及時(shí)散熱，最終將降低電池充放電效率，不僅影響到了電池使用性能，而且關(guān)乎到汽車(chē)安全問(wèn)題。由于電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)受溫度影響較大，其在某個(gè)溫度范圍工作性能最佳，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致電池?zé)o法正常高效工作。另一方面，若電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生交通事故，動(dòng)力電池中的電池單元容易相互擠壓造成電池破壞甚至引起自燃高危現(xiàn)象。因此，為使車(chē)用動(dòng)力電池包既能發(fā)揮最佳性能、又能保障電池的安全性能進(jìn)而延長(zhǎng)電池使用壽命，需對(duì)電池包增加高效的散/預(yù)熱系統(tǒng)及安全防撞系統(tǒng)。

由相關(guān)文獻(xiàn)可知，鋰電池的最佳工作溫度范圍為25℃～40℃，本電動(dòng)汽車(chē)散/預(yù)熱及安全防撞系統(tǒng)即能保障電池箱體在該最佳工作溫度范圍內(nèi)工作。本系統(tǒng)能控制電池箱體內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)電池溫度超過(guò)其最佳工作溫度范圍時(shí)實(shí)現(xiàn)分級(jí)散熱。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)能對(duì)電池包進(jìn)行預(yù)熱，以保證電池在最佳工作溫度范圍正常起動(dòng)并高效工作。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生交通事故時(shí)，本系統(tǒng)能避免電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受擠壓變形而導(dǎo)致電池短路甚至引發(fā)汽車(chē)自燃。

電動(dòng)汽車(chē)散/預(yù)熱及安全防撞裝置主要由散熱系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)和避撞防護(hù)系統(tǒng)組成，旨在實(shí)現(xiàn)車(chē)用電池包的散/預(yù)熱及安全防護(hù)功能，具體由蜂窩梁結(jié)構(gòu)、彈簧阻尼器、泡沫鋁箱、熱管、熱管、相變材料、風(fēng)扇、加熱元件、備用充電電池、傳感器等組成，裝置外觀(guān)如圖1所示，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 新型車(chē)用電池箱

圖2 車(chē)用電池箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為更好實(shí)現(xiàn)散熱功能，裝置采用泡沫鋁材料作為電池包箱體材料。所用泡沫鋁是一種低密度的多孔介質(zhì)，是在純鋁或鋁合金中加入添加劑后經(jīng)發(fā)泡工藝而成，具有金屬和氣泡特征，同時(shí)兼有高強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。逯彥紅[7]等人的研究證明了泡沫鋁能加強(qiáng)散熱效果的作用。車(chē)用電池箱體內(nèi)部設(shè)有電池單元的安裝孔和線(xiàn)路槽以及放置相變材料的通道。另外，箱體內(nèi)設(shè)有小孔安裝溫度傳感器以實(shí)時(shí)感知箱體內(nèi)溫度，箱體橫向側(cè)壁開(kāi)有便于插入熱管的孔槽。

因此，除了采用泡沫鋁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)散熱性能外，還采用了相變材料及熱管進(jìn)行散熱。利用相變材料相變吸能原理以吸收電池工作產(chǎn)生的熱量，同時(shí)加裝風(fēng)扇對(duì)電池進(jìn)行風(fēng)冷。由于選用的熱管為接觸面積較大的片狀結(jié)構(gòu)，因而散熱效果良好。安裝熱管時(shí)不與電池單元直接接觸，以避免電池單元電液泄漏引發(fā)其他不良后果。

由于溫度過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響到車(chē)用電池性能，為解決此問(wèn)題，本系統(tǒng)需對(duì)車(chē)用電池包進(jìn)行分級(jí)散熱。當(dāng)溫度高于30℃且低于40℃時(shí)，利用泡沫鋁箱和相變材料的吸能作用進(jìn)行一級(jí)散熱；當(dāng)溫度高于40℃且低于50℃時(shí)，在一級(jí)散熱基礎(chǔ)上再開(kāi)啟風(fēng)扇進(jìn)行二級(jí)散熱；當(dāng)溫度高于50℃時(shí)，在二級(jí)散熱基礎(chǔ)上再啟用熱管進(jìn)行三級(jí)散熱，此時(shí)，通過(guò)定位槽滑動(dòng)將熱管插入到電池箱熱管槽中，以實(shí)現(xiàn)相變高效散熱。

為實(shí)現(xiàn)電池包安全防護(hù)功能，在箱體縱向的前后方分別對(duì)稱(chēng)安裝彈簧阻尼器以及蜂窩梁進(jìn)行吸能隔振。其中，泡沫鋁箱具有雙重作用，不僅能加強(qiáng)散熱效果，還利用其高強(qiáng)度性能用于抵抗形變沖擊[8]。當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，彈簧起到緩沖作用，阻尼器因阻尼特性能減緩機(jī)械振動(dòng)和吸收動(dòng)能，即阻尼吸能。蜂窩梁是三向異性多孔材料結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度密度比，每個(gè)六邊形孔與相鄰六邊形孔的共享邊是由兩層鋁箔膠結(jié)構(gòu)成[9]。沿著六邊形孔的方向設(shè)定為T(mén)方向，在與T方向垂直的矩形平面長(zhǎng)邊平行的方向?yàn)長(zhǎng)方向，與矩形平面短邊平行的方向?yàn)閃方向。由材料力學(xué)知識(shí)可知，蜂窩梁T方向上的強(qiáng)度通常比L方向和W方向的強(qiáng)度大得多，故將蜂窩梁按T方向縱向布置。當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞后，蜂窩梁則有足夠的強(qiáng)度抵抗沖擊，沖擊較大時(shí)通過(guò)蜂窩梁結(jié)構(gòu)壓潰式變形吸收能量以達(dá)到防撞吸能的效果。在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，由于路面顛簸或汽車(chē)發(fā)生碰撞等狀況的出現(xiàn)都會(huì)使汽車(chē)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，若振動(dòng)劇烈或持續(xù)振動(dòng)過(guò)長(zhǎng)，電池單元線(xiàn)路接頭會(huì)被震松造成線(xiàn)路接觸不良，組合采用緩沖彈簧和阻尼器能很好地起到隔振的效果。

為實(shí)現(xiàn)電池箱系統(tǒng)的預(yù)熱功能，利用加熱元件對(duì)熱管進(jìn)行預(yù)熱，隨即熱管將熱量傳遞至電池單體。即當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)加熱元件對(duì)熱管進(jìn)行預(yù)熱，利用熱管的良好傳熱性能，將熱量傳導(dǎo)至電池單體，達(dá)到對(duì)電池單體進(jìn)行預(yù)熱的目的，保證電池單元的高效運(yùn)行。

4 創(chuàng)新應(yīng)用

1）本裝置在傳統(tǒng)電池殼體的基礎(chǔ)上通過(guò)蜂窩梁潰壓式形變以吸收外力沖擊能量，再利用彈簧阻尼器對(duì)電池包外部進(jìn)行隔振吸能，可提高電池包的防撞等級(jí)，同時(shí)可避免因振動(dòng)損壞電池包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2）本裝置采用泡沫鋁作為電池包殼體材料，與普通的鋼/鐵殼體相比，既可以加強(qiáng)散熱效果，又可以提高電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)有利于電池包體的輕量化設(shè)計(jì)。

3）本裝置通過(guò)控制熱管、相變腔體和風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)三級(jí)散熱功能。與傳統(tǒng)的電池散熱方式相比，利用熱管相變高效傳熱，可提高電池散熱效率，最大限度地使電池包在最佳溫度范圍內(nèi)工作。同時(shí)，熱管的獨(dú)立安裝可提高裝置的防護(hù)性能。

4）本裝置充分利用熱管的雙向傳熱特性實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行預(yù)熱，既可提高加熱效率，又減少由普通純電能加熱系統(tǒng)引起的電路故障問(wèn)題，保障了動(dòng)力電池的正常啟動(dòng)和運(yùn)行。

5 結(jié)論

針對(duì)目前電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包產(chǎn)品現(xiàn)狀問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種車(chē)用電池散/預(yù)熱及安全防護(hù)裝置。該裝置不僅可解決電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中因電池溫度過(guò)高或環(huán)境溫度過(guò)低引起的電池?zé)o法高效充放電問(wèn)題，同時(shí)也解決了電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生交通碰撞等特殊情況時(shí)無(wú)法保證電池單元完整性和安全性的技術(shù)難點(diǎn)。該裝置利用泡沫鋁材料、熱管、風(fēng)扇、相變材料等實(shí)現(xiàn)散熱功能，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)控電池箱體溫度，且可針對(duì)電池在不同溫度區(qū)間進(jìn)行分級(jí)散熱，以最大限度使動(dòng)力電池在最佳溫度范圍內(nèi)工作；利用熱管和加熱元件實(shí)現(xiàn)預(yù)熱功能；利用蜂窩梁和彈簧阻尼器隔振吸能原理對(duì)電池包進(jìn)行防撞保護(hù)。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。