胡利航
(中車資陽機車有限公司,四川 資陽 641300)
環(huán)保意識已經(jīng)深入人心,新能源作為一個發(fā)展方向已經(jīng)在各個行業(yè)產(chǎn)生了深遠影響。例如2018年全年中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成127萬輛和125.6萬輛,比上年同期分別增長59.9%和61.7%。中車資陽機車有限公司(以下簡稱“我司”)作為機車行業(yè)先行者,早在2011年設(shè)計生產(chǎn)的CKD6E5001機車上就開始搭載動力電池系統(tǒng)用于純電和混合動力牽引。
由于過高或過低的溫度都將直接影響動力電池的使用壽命和性能,并有可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)的安全問題;電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體間性能的不均衡。因此,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對于電動車輛動力電池系統(tǒng)而言是必需的。
隨著電動汽車行業(yè)的逐漸規(guī)范,動力電池?zé)峁芾矸绞揭苍絹碓娇茖W(xué)。目前主流電動/混合動力乘用車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為風(fēng)冷和液冷。
風(fēng)冷是以低溫空氣為介質(zhì),利用熱的對流,降低電池溫度的一種散熱方式,分為自然冷卻和強制冷卻。該技術(shù)利用自然風(fēng)或風(fēng)機,配合汽車裝備的乘員艙空調(diào)系統(tǒng)進一步為電池降溫,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于維護,如日產(chǎn)聆風(fēng)(Nissan Leaf)、起亞Soul EV等。這種方式需要將電池的熱負(fù)荷、乘員熱負(fù)荷以及車體傳熱同步考慮,不適合功率較大的車輛。據(jù)了解,目前的電動巴士、電動物流車中也廣泛采納空調(diào)風(fēng)冷冷卻方式,根據(jù)布置方式不同,有采用乘客艙空調(diào)系統(tǒng)來冷卻電池,也有獨立設(shè)置空調(diào)為電池冷卻的。圖1為通過乘員艙空調(diào)風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意。
圖1 利用乘員空調(diào)風(fēng)冷系統(tǒng)示意圖
液冷技術(shù)是通過液體對流換熱,將電池產(chǎn)生的熱量帶走,降低電池溫度。液冷系統(tǒng)設(shè)計合理可以發(fā)揮液體介質(zhì)熱容量大、與固體壁面換熱系數(shù)高的優(yōu)點,系統(tǒng)反應(yīng)速度快,對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著。液冷系統(tǒng)實現(xiàn)形式有液體直接接觸電池單體和非直接接觸電池單體兩種。直接接觸方式是將電池單體或模塊沉浸在不導(dǎo)電的工作液體中。非直接接觸式是在電池模塊間設(shè)置冷卻通道,或在電池底部采用冷卻板,工作液體在這些流道中流動。液冷已是目前較多電動乘用車的優(yōu)選方案,國內(nèi)外的典型產(chǎn)品如特斯拉、通用沃藍達、吉利帝豪EV等。圖2為特斯拉電動汽車的冷卻方式示意。
圖2 特斯拉電池采用的液冷系統(tǒng)
除此之外還有少部分車型采用了制冷劑直冷的方式。例如BMW i3的部分車型直接將電池作為熱管理系統(tǒng)蒸發(fā)器的一部分,冷媒進入蒸發(fā)器中直接帶走電池?zé)崃俊_@種方式具有冷卻迅速,結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點,但因為工質(zhì)工作壓力大,集成在電池系統(tǒng)中的密封性要求較高所以運用車型較少。
新能源汽車熱管理系統(tǒng)的效果少有廠家明確。據(jù)資料顯示特斯拉使用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以將1塊電池組內(nèi)各單體電池的溫度差異控制在±2℃以內(nèi),換言之,1個電池包內(nèi)的最大溫差小于4℃,整個電池系統(tǒng)溫差控制指標(biāo)沒有資料明確。國內(nèi)因《GB/T 31485-2015 電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》中對動力電池溫度控制沒有要求,新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制目標(biāo)廠家各有標(biāo)準(zhǔn)。從收集到的信息來看,一般目標(biāo)是控制在5℃~8℃,實際使用中溫差比目標(biāo)范圍普遍更大。
不管是風(fēng)冷還是水冷方案,熱保障系統(tǒng)的根本目的就是電池和冷卻介質(zhì)的熱交換??芍跓崃坎蛔兊那闆r下,冷卻介質(zhì)流量越大,帶走的熱量越多,其溫差越??;在流量一定的情況下需要帶走的熱量越小,溫差越小。對于動力電池系統(tǒng)來說,冷卻介質(zhì)流量越大,冷卻介質(zhì)流經(jīng)電池數(shù)量越小,電池溫差控制越好,這也是我司動力電池?zé)岜U舷到y(tǒng)的設(shè)計思路。
混合動力機車與新能源汽車的動力電池有較大的區(qū)別,主要表現(xiàn)在動力電池規(guī)模和動力電池布置上。根據(jù)統(tǒng)計主流電動乘用車裝車電量為16~30 kWh,比亞迪電動E6電動出租車電量58 kWh,蔚來ES8計劃提供86 kWh的車型。我公司混合動力機車裝車電量已經(jīng)形成250~1 400 kWh的多個等級??梢娕c混合動力機車相比,新能源乘用車電池裝車容量小得多。
主流新能源汽車主要將動力電池設(shè)置在底盤或者后備箱內(nèi),這也是前文所說利用乘員艙空調(diào)冷卻電池方式的成立前提。因為既要考慮冷卻效果,又要考慮車身隔音,所以車輛風(fēng)道設(shè)計依然困難重重;汽車底盤的位置較低,在不良路面行駛時存在磕碰的可能。同時道路環(huán)境相比機車鐵路環(huán)境更復(fù)雜,容易出現(xiàn)涉水行駛的情況,所以新能源汽車電池要求機械防護性能好?;旌蟿恿C車動力電池可布置在機車主車架上也可以懸掛在主車架下,布置空間比新能源汽車規(guī)整,軌道運用環(huán)境比汽車行駛路面簡單,所以在電池防護和熱管理系統(tǒng)的布置上會相對容易。例如空調(diào)風(fēng)冷機組可以很容易地布置在電池正上方,通過電池后再從四周回風(fēng),與房間頂置空調(diào)無異。
自第1臺混合動力機車出廠以來,我司在使用的過程中逐漸摸索了動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同機車上的適應(yīng)性問題。
我司第一代混合動力機車電池箱懸掛于主車架下,采用的熱管理系統(tǒng)為環(huán)境風(fēng)強迫冷設(shè)計。電池采用18650圓柱形磷酸鐵鋰電池,通過卡板組成均勻間隙的模組。每個電池箱配備1個冷卻風(fēng)扇。冷卻風(fēng)從電池的一側(cè)吸入,經(jīng)過電池模組后從電池箱另一側(cè)排出,示意圖見圖3。電池箱配備電加熱膜,可以在環(huán)境溫度時對電池單體進行加熱??梢钥闯鲈摕峁芾硐到y(tǒng)較為簡單,實際運用中動力電池的發(fā)揮受環(huán)境溫度的影響很大。
圖3 第一代混合動力機車電池通風(fēng)冷卻方案
我司第二代混合動力機車裝備了電壓1 500 V、最大電量1 400 kWh等級,有26650圓柱電芯為基礎(chǔ)的動力電池。動力電池自成1個艙室,在其頂部布置了大功率的空調(diào)系統(tǒng)作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的一部分。見圖4。采用空調(diào)風(fēng)冷的好處是在較高的環(huán)境溫度下也可使動力電池維持在適宜的工作溫度,同時自帶有除濕效果,可以保證動力電池室內(nèi)空氣較為干燥。同時空調(diào)也具有加熱功能,在環(huán)境溫度較低時可以保證動力電池快速升溫,機車運用不受限制。該車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包含電池通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、空調(diào)機組和熱管理系統(tǒng)控制策略3部分。其中空調(diào)通風(fēng)結(jié)構(gòu)又包含電池包內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計和電池包外部風(fēng)道設(shè)計。為兼顧電池系統(tǒng)體積和通風(fēng)效果,電池包內(nèi)部采用非均勻流道設(shè)計,在總體尺寸較小的情況下達到了較好的通風(fēng)水平。通過CAE模擬分析和試驗對比,基本達到預(yù)期效果。與第一代混合動力機車相比,機車動力電池對環(huán)境的適應(yīng)性大大增強。
圖4 第二代混合動力機車電池及熱管理系統(tǒng)仿真
目前,我司也在開發(fā)用于混合動力機車的方形/軟包電池的集成方案,裝車性能參數(shù)與第二代混合動力機車類似。電池包集成液冷板,在冷卻液流量7 L/min時,電池包各電池單體溫差控制在2℃以內(nèi),液冷管路系統(tǒng)見圖5。熱保障系統(tǒng)管路布局有兩種方式:①采用全并聯(lián)方式,每個并聯(lián)管路上均設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥,總管路上設(shè)有泄壓管路系統(tǒng)。②為每個支路串聯(lián)2個電池包再并聯(lián)的方式,同樣每個支路上也設(shè)置流量調(diào)節(jié)
閥,總管路上設(shè)有泄壓管路系統(tǒng)。通過理論計算,這兩種管路布局均可以使各支路冷卻液流量差控制在5%以內(nèi)。目前正在籌備生產(chǎn)試驗樣機,檢驗實際效果。
圖5 液冷管路系統(tǒng)
除了設(shè)置主動熱管理系統(tǒng),我公司也根據(jù)機車特定使用情況試制了無主動管理系統(tǒng)的純電動調(diào)車機車。機車電池包懸掛在車架下部,采用26650圓柱形電芯,電壓DC544 V,電量250 kWh。為適應(yīng)自然散熱,電池箱根據(jù)機車特征使用循環(huán),電池采用自然散熱方式。為確保電池安全在控制系統(tǒng)中設(shè)置充電電流0.3 C恒流轉(zhuǎn)恒壓,放電0.5 C,短時(6 min)放電1 C。目前該機車使用良好,電池系統(tǒng)狀態(tài)正常。
通過我司現(xiàn)有動力電池?zé)岜U舷到y(tǒng)的使用經(jīng)驗,混合動力機車電池?zé)岜U舷到y(tǒng)種類和性能應(yīng)根據(jù)機車使用特性和選用電池特性來確定。
1)動力電池自然冷卻或普通通風(fēng)冷卻方式適合運用環(huán)境良好,且機車負(fù)荷循環(huán)較小的場合。
2)要保證電池在嚴(yán)酷環(huán)境、負(fù)荷循環(huán)較大時可用,則需要采用空調(diào)風(fēng)冷或空調(diào)(冷水機組)水冷的方式。因機車動力電池系統(tǒng)安裝方式比汽車簡單,這兩種方式均適合機車使用。
3)熱保障系統(tǒng)受電池包集成技術(shù)限制較大:如果需要外購?fù)暾姵匕瑒t熱管理系統(tǒng)選型受供應(yīng)商限制;反之則可以自由選則熱保證系統(tǒng)。