李 駿，鄧海龍，劉霏霏，龔思惠，李 梅

（華東交通大學 機電與車輛工程學院，南昌 330013）

0 引言

動力電池作為電動汽車的關(guān)鍵部件，其性能是制約電動汽車發(fā)展的主要因素。近年來，鋰離子動力電池因其高比能量、環(huán)保、無記憶特性等優(yōu)點被廣泛關(guān)注，逐漸成為電動汽車的主流電源。但在鋰離子動力電池高倍率充放電過程中，內(nèi)部化學反應復雜，并伴隨釋放較多的熱量，如果不能及時散熱，熱量將在電池內(nèi)部快速聚積，使電池溫度升高，導致電池使用壽命縮短，甚至降低其安全性能。此外，在實際應用中，動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，各電池單體之間的溫度差異將會導致各動力電池充放電量出現(xiàn)差異。放電時，低容量電池將會提前到達截止電壓；充電時，電池容易過充。經(jīng)過多次充放電循環(huán)后，各電池單體之間差異會越來越大，造成惡性循環(huán)，大大降低電池組的使用壽命。因此，為延長動力電池使用壽命，降低電動汽車整車成本并提高整車熱安全性能，高效的鋰離子電池散熱系統(tǒng)是動力電池結(jié)構(gòu)必備的配置。另外，鋰離子動力電池的性能對溫度變化較為敏感，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重，無法高效工作，因而在低溫情況下需對電池包進行預熱。綜上，為使電池發(fā)揮出最佳性能，延長電池使用壽命，需優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)，設(shè)計研發(fā)一套高效的散/預熱系統(tǒng)。

由于汽車保有量巨大，交通狀況復雜，道路交通安全問題日趨嚴重。對于電動汽車，其動力組成有別于傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車碰撞安全性不僅須滿足傳統(tǒng)燃油汽車的碰撞防護要求，還需重點考慮其在碰撞過程中所特有的安全問題。例如，動力電池在碰撞過程中，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、爆炸等現(xiàn)象。因此，在優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)的同時，要求電池包結(jié)構(gòu)能夠滿足電池單元的完整性和安全性能。在研究電池包結(jié)構(gòu)問題上，汽車輕量化可提升電動汽車的續(xù)航里程，故還需考慮電池包的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。

1 設(shè)計現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有的電池散熱系統(tǒng)主要采用強制風冷、液冷以及相變材料等進行散熱[2]。強制風冷的散熱原理主要是依靠空氣在鋰電池箱內(nèi)流動，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低、易實現(xiàn)的優(yōu)點。但由于該方式所用的工作介質(zhì)為空氣，其對流換熱系數(shù)低，導致散熱效果不理想。另外，強制風冷容易導致電池包內(nèi)局部溫度不均，進風口附近溫度往往較低，而出風口溫度則相對較高。液冷的散熱原理是用液體代替空氣進行散熱，其散熱效果相對風冷有所改善，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險，嚴重降低電池的使用安全性能。使用相變材料進行散熱的原理主要利用相變材料相變時需要吸收大量潛熱而自身溫度卻保持不變的特點，最終吸收電池產(chǎn)生的熱量，當相變材料完全融化后其溫度將保持在融點溫度不變。由于相變材料傳熱系數(shù)小、熱穩(wěn)定性差，因此，相變過程的可控性較差。針對電池包預熱系統(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)計亟待解決的問題之一。針對電池包避撞防護的相關(guān)設(shè)計和研究不多，主流電動汽車的電池包結(jié)構(gòu)和車架結(jié)構(gòu)往往采用獨立設(shè)計，而成艾國[3]等人提出了一種用于電池包分布式安裝的電動汽車車架，這種結(jié)構(gòu)能在電動汽車電池包結(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，該結(jié)構(gòu)影響了整體車型設(shè)計，需要大幅度調(diào)整改進現(xiàn)有汽車成熟的設(shè)計制造工藝，致使成本相對較高，進而影響其市場推廣。

2 設(shè)計要求

2.1 碰撞安全性能要求

電動汽車發(fā)生碰撞時，車用電池包應滿足以下要求：1）發(fā)生碰撞時，應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，應保證電池箱有足夠的強度以避免電池箱內(nèi)部電池、電氣元件等受擠壓而造成短路現(xiàn)象。

2.2 通風散熱性能要求

車用電池長時間運行尤其汽車在持續(xù)的大負載高速行駛時，電池組在放電時會產(chǎn)生大量的熱能，在汽車快速充電的情況下，電池組也會產(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，電池模塊之間應留有適當?shù)目障?，以滿足電池結(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流量，同時應具有足夠的安全系數(shù)。3）通過電池箱體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)置以使每個單體電池能夠充分散熱，電池箱體溫度應控制在鋰離子動力電池最佳工作溫度區(qū)間，且應均勻散熱，電池箱體內(nèi)溫差不大于5℃。

2.3 預熱性能要求

由于電池單元內(nèi)部的化學反應受溫度影響較大，在溫度較低的情況下會導致電池內(nèi)部正?；瘜W反應受到影響，此時需對電池包進行預熱，應滿足以下要求：合理考慮成本、質(zhì)量、空間的布置問題，設(shè)置安全可靠的預熱裝置，使電動汽車動力電池包在寒冷環(huán)境下能夠正常啟動，且不影響電池的工作性能。

2.4 絕緣與防水性要求

電動汽車動力電池輸出的電壓較高，電壓一般超過200伏。因此，動力電池包應有效隔絕人與電池的直接接觸。同時，電池箱體須進行密封，防止由于水滲透而導致電池短路現(xiàn)象的發(fā)生，需滿足以下要求[5]：1）電池兩極連接板與電池包箱壁的最小距離應大于10mm，以防止擊穿放電。2）電池包應整體電泳噴涂，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，接插件固定部位應采取相應密封措施。4）在電池包布置安裝時應避免與底盤部件和車身干涉，箱體最低點應不小于整車的最小離地間隙，以保障不同路況下整車的通過性能。5）電池包接插件安裝孔和進出風口應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

考慮動力電池是純電動汽車唯一的動力源，其性能是影響電動汽車續(xù)航里程的首要因素[6]。動力電池在充放電過程中會產(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)乎到汽車安全問題。由于電池內(nèi)部的電化學反應受溫度影響較大，其在某個溫度范圍工作性能最佳，溫度過高或過低都會導致電池無法正常高效工作。另一方面，若電動汽車發(fā)生交通事故，動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，為使車用動力電池包既能發(fā)揮最佳性能、又能保障電池的安全性能進而延長電池使用壽命，需對電池包增加高效的散/預熱系統(tǒng)及安全防撞系統(tǒng)。

由相關(guān)文獻可知，鋰電池的最佳工作溫度范圍為25℃～40℃，本電動汽車散/預熱及安全防撞系統(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)的實時溫度，當電池溫度超過其最佳工作溫度范圍時實現(xiàn)分級散熱。當環(huán)境溫度較低時能對電池包進行預熱，以保證電池在最佳工作溫度范圍正常起動并高效工作。當電動汽車發(fā)生交通事故時，本系統(tǒng)能避免電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受擠壓變形而導致電池短路甚至引發(fā)汽車自燃。

電動汽車散/預熱及安全防撞裝置主要由散熱系統(tǒng)、預熱系統(tǒng)和避撞防護系統(tǒng)組成，旨在實現(xiàn)車用電池包的散/預熱及安全防護功能，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、風扇、加熱元件、備用充電電池、傳感器等組成，裝置外觀如圖1所示，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 新型車用電池箱

圖2 車用電池箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為更好實現(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，同時兼有高強度、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點。逯彥紅[7]等人的研究證明了泡沫鋁能加強散熱效果的作用。車用電池箱體內(nèi)部設(shè)有電池單元的安裝孔和線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時感知箱體內(nèi)溫度，箱體橫向側(cè)壁開有便于插入熱管的孔槽。

因此，除了采用泡沫鋁結(jié)構(gòu)加強散熱性能外，還采用了相變材料及熱管進行散熱。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，同時加裝風扇對電池進行風冷。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。

由于溫度過高會嚴重影響到車用電池性能，為解決此問題，本系統(tǒng)需對車用電池包進行分級散熱。當溫度高于30℃且低于40℃時，利用泡沫鋁箱和相變材料的吸能作用進行一級散熱；當溫度高于40℃且低于50℃時，在一級散熱基礎(chǔ)上再開啟風扇進行二級散熱；當溫度高于50℃時，在二級散熱基礎(chǔ)上再啟用熱管進行三級散熱，此時，通過定位槽滑動將熱管插入到電池箱熱管槽中，以實現(xiàn)相變高效散熱。

為實現(xiàn)電池包安全防護功能，在箱體縱向的前后方分別對稱安裝彈簧阻尼器以及蜂窩梁進行吸能隔振。其中，泡沫鋁箱具有雙重作用，不僅能加強散熱效果，還利用其高強度性能用于抵抗形變沖擊[8]。當汽車發(fā)生碰撞時，彈簧起到緩沖作用，阻尼器因阻尼特性能減緩機械振動和吸收動能，即阻尼吸能。蜂窩梁是三向異性多孔材料結(jié)構(gòu)，具有高強度密度比，每個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方向，在與T方向垂直的矩形平面長邊平行的方向為L方向，與矩形平面短邊平行的方向為W方向。由材料力學知識可知，蜂窩梁T方向上的強度通常比L方向和W方向的強度大得多，故將蜂窩梁按T方向縱向布置。當汽車發(fā)生碰撞后，蜂窩梁則有足夠的強度抵抗沖擊，沖擊較大時通過蜂窩梁結(jié)構(gòu)壓潰式變形吸收能量以達到防撞吸能的效果。在電動汽車運行過程中，由于路面顛簸或汽車發(fā)生碰撞等狀況的出現(xiàn)都會使汽車產(chǎn)生一定的振動，若振動劇烈或持續(xù)振動過長，電池單元線路接頭會被震松造成線路接觸不良，組合采用緩沖彈簧和阻尼器能很好地起到隔振的效果。

為實現(xiàn)電池箱系統(tǒng)的預熱功能，利用加熱元件對熱管進行預熱，隨即熱管將熱量傳遞至電池單體。即當溫度過低時，啟動加熱元件對熱管進行預熱，利用熱管的良好傳熱性能，將熱量傳導至電池單體，達到對電池單體進行預熱的目的，保證電池單元的高效運行。

4 創(chuàng)新應用

1）本裝置在傳統(tǒng)電池殼體的基礎(chǔ)上通過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電池包外部進行隔振吸能，可提高電池包的防撞等級，同時可避免因振動損壞電池包的內(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，既可以加強散熱效果，又可以提高電池包結(jié)構(gòu)強度，同時有利于電池包體的輕量化設(shè)計。

3）本裝置通過控制熱管、相變腔體和風扇實現(xiàn)三級散熱功能。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，熱管的獨立安裝可提高裝置的防護性能。

4）本裝置充分利用熱管的雙向傳熱特性實現(xiàn)在低溫環(huán)境下對動力電池包進行預熱，既可提高加熱效率，又減少由普通純電能加熱系統(tǒng)引起的電路故障問題，保障了動力電池的正常啟動和運行。

5 結(jié)論

針對目前電動汽車動力電池包產(chǎn)品現(xiàn)狀問題，本文設(shè)計了一種車用電池散/預熱及安全防護裝置。該裝置不僅可解決電動汽車運行過程中因電池溫度過高或環(huán)境溫度過低引起的電池無法高效充放電問題，同時也解決了電動汽車發(fā)生交通碰撞等特殊情況時無法保證電池單元完整性和安全性的技術(shù)難點。該裝置利用泡沫鋁材料、熱管、風扇、相變材料等實現(xiàn)散熱功能，同時可實時監(jiān)控電池箱體溫度，且可針對電池在不同溫度區(qū)間進行分級散熱，以最大限度使動力電池在最佳溫度范圍內(nèi)工作；利用熱管和加熱元件實現(xiàn)預熱功能；利用蜂窩梁和彈簧阻尼器隔振吸能原理對電池包進行防撞保護。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有廣泛的市場應用前景。