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整车电池包热管理设计方案研究

摘要:分析国内外动力电池热管理现状,并从某10m纯电动客车热管理架构入手,介绍整车动力电池系统的冷却、加热原理及相关计算。

关键词:纯电动客车;动力电池;热管理动力

电池是电动汽车的核心部件,其特性与环境温度紧密相关。温度不同时电池的欧姆内阻变化率高于极化内阻变化率,低温下的欧姆内阻变化率大于高温下的变化率[1]。温度引起电化学性能变化,从而影响电池使用性能与寿命[2]。随着电动汽车的普及,温度-30~+50℃的使用环境已经成为电动汽车所要面对的实际场景[3]。为此,需对汽车的热管理进行研究。本文以某10m级电动客车热管理设计为例,介绍整车及电池包热管理的设计要点。

1国内外动力电池热管理现状

1.1动力电池温度特性。以磷酸铁锂型动力电池为例,当温度超过45℃时循环寿命会逐渐降低、电池电量衰减加剧,导致车辆续航里程逐年降低;当温度超过60℃容易发生电池冒烟、起火、爆炸等安全事故;当电池温度低于25℃时,温度每低1℃电池容量衰减约1%;当温度低于0℃时,电池充放电会变得非常困难,最终导致冬季时车辆续航里程大大缩短、充电慢等问题。由此可知,电动汽车的使用寿命、可靠性等很大程度上会受到温度的影响[4]。而动力电池过早衰减的主要原因就是动力电池长期工作在非最佳使用温度环境。1.2动力电池热管理分类。目前国内外动力电池系统的冷却主要分为4类:自然冷却、风冷、液冷、直冷。其中自然冷却是被动式的冷却方式;而风冷、液冷、直冷是主动式的,这三者的主要区别在于换热介质的不同。由于空气对流换热系数较低,采取液体代替空气作为冷却介质成为强化冷却的必然手段[5]。动力电池加热按其热传导方式主要分为内部加热法与外部加热法。内部加热法是利用电流通过动力电池时所产生的焦耳热来加热电池,解决动力电池内部电解液在低温下黏度增加、阻碍电荷载体的移动、导致动力电池内部阻抗增加的问题;外部加热法则是通过在动力电池包或动力电池模块外部添加高温液体或气体、电加热板、相变材料或者利用珀尔贴效应等方式来实现热量由外向内的热传导。除上述基于对流的加热方式,亦可采用PTC或小功率加热膜直接对电池表面进行加热[6]。

2整车电池热管理的设计方案

该车电池包的热管理包括动力电池冷却以及动力电池加热。其电池冷却是以50%乙二醇和50%的水为冷却介质,通过液体循环方式为动力电池冷却;电池加热则以电池模组底部安装电阻膜的方式直接为动力电池表面进行加热。2.1热管理架构。该车的电池热管理系统的架构如图1所示。1)电池冷却系统。在由压缩机1、冷凝器2、膨胀阀3、蒸发器4、气液分离器5组成的乘客区制冷系统(单冷系统)基础上,在蒸发器4处并联一组板式换热器7,通过两个电子膨胀阀(3,6)进行流量控制,以便均衡车辆两侧的制冷量。冷却液从板式换热器7出水口流出,经过一个三通阀分成两路,各接一个水泵(9,22)推动水路循环。为了保障电池冷却的效率,从两个水泵出水口的后方各接三通阀分为两路,每一路串联两个电池包,再将两组串联回路并联。然后将两组并联回路再进行并联,形成一个完整的电池包冷却的水路循环系统。为确保每一组动力电池包散热得温度均匀,在每组串联水路的电池包进水口之前加装节流阀(14,16,27,29)和水压检测接头(15,17,28,30),用于调节和测量水路的流量和压力。为防止因水压不一致导致回水不顺畅,在每组串联水路的电池包出水口之后加装单向阀(18,20,31,33)和水压检测接头(19,21,32,34)。为合理使用电池冷却系统,在板式换热器7的出水口及回水口分别接一个水温传感器(8,35),用于监测水温,当温度过低时,可停止制冷。2)电池加热系统。该系统由动力电池的电阻膜(10,11,12,13,23,24,25,26)、正极接触器40、电气保险丝41、负极接触器42串联而成,整个电阻膜加热电回路与动力电池系统的高压回路并联。电阻加热膜的结构为镍镉合金电热丝包覆环氧树脂绝缘层。2.2整车电池的热管理原理。1)系统的冷却原理。当电池需要冷却时,制冷剂进入板式换热器7中会迅速吸热气化,变成气态低温的制冷剂,从而吸收大量的热量,对冷却液进行降温,冷却液通过水路循环给电池包进行冷却。当系统只单独对动力电池进行冷却时,只开启板式换热器的电子膨胀阀6,冷却液的温度通过板式换热器7能快速下降到设定温度。之后,冷却液温度随着压缩机1的启停和频率变化,在设定的温度15~25℃之间进行周期性波动;当系统需要同时对车内乘客区和电池进行冷却时,同时开启车内制冷和板式换热器的电子膨胀阀(3、6),并实时对冷却液进行流量分配,以实现车内和动力电池同时最佳制冷。当车内乘客区温度降低至设定温度后若电池还有冷却需求,系统将自动关闭车内制冷电子膨胀阀3并保持电池冷却电子膨胀阀6处于开启状态,此时只对电池进行冷却,当电池冷却至设定温度后系统将自动停止压缩机的工作。2)系统的加热原理。如果在低温气候(一般<0℃)下车辆长时间停放,车辆使用前需要将电池包加热至可以正常使用的温度(一般为12℃)。本文所述某10m级电动客车的8个箱体的加热电阻膜采用串联的方式进行连接。当电池最低温度低于12℃时,由电池BMS控制加热接触器吸合,向动力电池自身加热;当电池最低温度高于15℃时,由电池BMS控制加热接触器断开,停止加热。为了确保电池加热过程中的使用安全,在加热电回路中增加保险丝。为了减少接触器粘连而带来的加热接触器无法断开导致的电池持续加热的风险,在加热电回路中正负极均使用了接触器,正负极任何一个接触器断开均能有效地切断加热回路。为了确保低温状态下有充足的电量为电池自身加热,在动力电池BMS控制策略设计时,一般需要预留15%~20%的电量。此策略一方面为了保护动力电池不发生深度放电而损坏电池;另一方面为了保证低温状态下有充足的电量为电池自身加热。因此,一般动力电池SOC低于20%时,整车应通过限制驱动系统功率并在仪表上开启电量低指示灯的方式提示用户及时充电。由于加热电流对电池来说非常小,低温状态下动力电池足以释放该电流供电池加热。2.3电池系统的制冷量、加热量计算。1)制冷量计算。本文8个动力电池箱,其中箱每箱电池需散热的面积为1.489m2,另外4箱每箱电池需散热的面积为1.335m2,整车电池需散热的总面积约为11.3m2。按照牛顿冷却公式[7],电池需求的制冷量Φ为:Φ=h×A×ΔT式中:h为表面传热系数,本文取200W/(m2•K)[8];A为电池需散热的总面积,本文为11.3m2;ΔT为电池所需散热的壁面温度和电池冷却液的温度差,本文取3℃。计算结果为:Φ=200×11.3×3=6780W。因此,在整车制冷系统匹配设计时,其总制冷量应在满足车内制冷效果的基础上增加7kW为宜;板式换热器的散热能力应大于7kW为宜。2)加热量计算。本文所述的安装在电池底部的电阻加热膜使电芯的温升速率为0.2℃/min。以车辆在-15℃环境温度下将电芯加热到15℃为例,消耗电能W为:W=ρ×A1×t式中:ρ为电热膜功率密度,本文取2W/m2;A1为加热膜覆盖电池的总面积,本文取2.5m2;t为电池从-15℃加热到15℃的时间,本文为2.5h。计算结果为:W=2×2.5×2.5=12.5kWh。因此整车设计时,应考虑到低温状态下电池自加热时消耗的电量,在满足整车续行里程的基础上增加12.5kWh电量为宜。2.4冷却系统的管路流量、管径及流阻计算。1)电池冷却液管路流量Q,计算公式如下[9]:Q=q/ρ1,q=Q1/c/Δt式中:q为电池冷却循环的质量流量;Q1为电池冷却需要的换热量;ρ1为冷却液的密度,取1053kg/m3;c为冷却液的比热容,取3.768kJ/kg•℃;Δt=to-ti,to和ti分别为流出和流入板式换热器的温度35℃和30℃。计算结果为:Q=20.5L/min。2)电池管路直径d可参考以下公式[10]计算:d=1.13槡W/V式中:W为体积流量,该车型冷却管路有4个支路,即每个支路的W=Q/4=20.5/4=5.125L/min(本文取5L/min);V为常用流速,一般在0.5~2m/s,本文取0.5m/s。计算结果为:d=14.59mm。3)电池冷却管路阻力主要分为沿程水头阻力和局部水头阻力[11],可参考以下公式:ΔP1=λ×L/d×V12/(2×g),V1=Q/(S×N)式中:λ为沿程阻力系数,橡胶管取80/Re;L为管路总长度,m;d为管路直径,m;V1为管内流速,m/s;g为重力加速度,N/kg;S为单根管路截面积,m2;N为管路分支数(本文取4)。计算结果为:ΔP1=4.53kPa。

3结束语

电动汽车动力电池的成本占整车成本的30%~50%[12],动力电池过早衰减导致车辆提早更换电池,会给用户增加极大的使用成本。精准地控制动力电池工作温度,是保证动力电池性能的关键,也是提高动力电池使用寿命、节约车辆使用成本的关键。本文所述内容既提高了动力电池的安全性又延长了动力电池的使用寿命。

作者:罗丙荷 张汕姗 程云云 单位:1.江西凯马百路佳客车有限公司 2.江西省新能源客车工程技术研究中心

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