整車電池包熱管理設(shè)計(jì)方案

整車電池包熱管理設(shè)計(jì)方案動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心部件，其特性與環(huán)境溫度緊密相關(guān)。溫度不同時(shí)電池的歐姆內(nèi)阻變化率高于極化內(nèi)阻變化率，低溫下的歐姆內(nèi)阻變化率大于高溫下的變化率。溫度引起電化學(xué)性能變化，從而影響電池使用性能與壽命。溫度－30～+50℃的使用環(huán)境已經(jīng)成為電動(dòng)汽車所要面對(duì)的實(shí)際場(chǎng)景。為此，需對(duì)汽車的熱管理進(jìn)行研究。本文以某10m級(jí)電動(dòng)客車熱管理設(shè)計(jì)為例，介紹整車及電池包熱管理的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。1國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池?zé)峁芾憩F(xiàn)狀1.1動(dòng)力電池溫度特性以磷酸鐵鋰型動(dòng)力電池為例，當(dāng)溫度超過(guò)45℃時(shí)循環(huán)壽命會(huì)逐漸降低、電池電量衰減加劇，導(dǎo)致車輛續(xù)航里程逐年降低；當(dāng)溫度超過(guò)60℃容易發(fā)生電池冒煙、起火、爆炸等安全事故；當(dāng)電池溫度低于25℃時(shí)，溫度每低1℃電池容量衰減約1%；當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，電池充放電會(huì)變得非常困難，最終導(dǎo)致冬季時(shí)車輛續(xù)航里程大大縮短、充電慢等問(wèn)題。由此可知，電動(dòng)汽車的使用壽命、可靠性等很大程度上會(huì)受到溫度的影響。而動(dòng)力電池過(guò)早衰減的主要原因就是動(dòng)力電池長(zhǎng)期工作在非最佳使用溫度環(huán)境。1.2動(dòng)力電池?zé)峁芾矸诸惸壳皣?guó)內(nèi)外動(dòng)力電池系統(tǒng)的冷卻主要分為4類:自然冷卻、風(fēng)冷、液冷、直冷。其中自然冷卻是被動(dòng)式的冷卻方式；而風(fēng)冷、液冷、直冷是主動(dòng)式的，這三者的主要區(qū)別在于換熱介質(zhì)的不同。由于空氣對(duì)流換熱系數(shù)較低，采取液體代替空氣作為冷卻介質(zhì)成為強(qiáng)化冷卻的必然手段。動(dòng)力電池加熱按其熱傳導(dǎo)方式主要分為內(nèi)部加熱法與外部加熱法。內(nèi)部加熱法是利用電流通過(guò)動(dòng)力電池時(shí)所產(chǎn)生的焦耳熱來(lái)加熱電池，解決動(dòng)力電池內(nèi)部電解液在低溫下黏度增加、阻礙電荷載體的移動(dòng)、導(dǎo)致動(dòng)力電池內(nèi)部阻抗增加的問(wèn)題；外部加熱法則是通過(guò)在動(dòng)力電池包或動(dòng)力電池模塊外部添加高溫液體或氣體、電加熱板、相變材料或者利用珀?duì)栙N效應(yīng)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量由外向內(nèi)的熱傳導(dǎo)。除上述基于對(duì)流的加熱方式，亦可采用PTC或小功率加熱膜直接對(duì)電池表面進(jìn)行加熱。2整車電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計(jì)方案該車電池包的熱管理包括動(dòng)力電池冷卻以及動(dòng)力電池加熱。其電池冷卻是以50%乙二醇和50%的水為冷卻介質(zhì)，通過(guò)液體循環(huán)方式為動(dòng)力電池冷卻；電池加熱則以電池模組底部安裝電阻膜的方式直接為動(dòng)力電池表面進(jìn)行加熱。2.1熱管理架構(gòu)該車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。1)電池冷卻系統(tǒng):在由壓縮機(jī)1、冷凝器2、膨脹閥3、蒸發(fā)器4、氣液分離器5組成的乘客區(qū)制冷系統(tǒng)(單冷系統(tǒng))基礎(chǔ)上，在蒸發(fā)器4處并聯(lián)一組板式換熱器7，通過(guò)兩個(gè)電子膨脹閥(3，6)進(jìn)行流量控制，以便均衡車輛兩側(cè)的制冷量。冷卻液從板式換熱器7出水口流出，經(jīng)過(guò)一個(gè)三通閥分成兩路，各接一個(gè)水泵(9，22)推動(dòng)水路循環(huán)。為了保障電池冷卻的效率，從兩個(gè)水泵出水口的后方各接三通閥分為兩路，每一路串聯(lián)兩個(gè)電池包，再將兩組串聯(lián)回路并聯(lián)。然后將兩組并聯(lián)回路再進(jìn)行并聯(lián)，形成一個(gè)完整的電池包冷卻的水路循環(huán)系統(tǒng)。為確保每一組動(dòng)力電池包散熱得溫度均勻，在每組串聯(lián)水路的電池包進(jìn)水口之前加裝節(jié)流閥(14，16，27，29)和水壓檢測(cè)接頭(15，17，28，30)，用于調(diào)節(jié)和測(cè)量水路的流量和壓力。為防止因水壓不一致導(dǎo)致回水不順暢，在每組串聯(lián)水路的電池包出水口之后加裝單向閥(18，20，31，33)和水壓檢測(cè)接頭(19，21，32，34)。為合理使用電池冷卻系統(tǒng)，在板式換熱器7的出水口及回水口分別接一個(gè)水溫傳感器(8，35)，用于監(jiān)測(cè)水溫，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，可停止制冷。2)電池加熱系統(tǒng):該系統(tǒng)由動(dòng)力電池的電阻膜(10，11，12，13，23，24，25，26)、正極接觸器40、電氣保險(xiǎn)絲41、負(fù)極接觸器42串聯(lián)而成，整個(gè)電阻膜加熱電回路與動(dòng)力電池系統(tǒng)的高壓回路并聯(lián)。電阻加熱膜的結(jié)構(gòu)為鎳鎘合金電熱絲包覆環(huán)氧樹(shù)脂絕緣層。2.2整車電池的熱管理原理1)系統(tǒng)的冷卻原理:當(dāng)電池需要冷卻時(shí)，制冷劑進(jìn)入板式換熱器7中會(huì)迅速吸熱氣化，變成氣態(tài)低溫的制冷劑，從而吸收大量的熱量，對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫，冷卻液通過(guò)水路循環(huán)給電池包進(jìn)行冷卻。當(dāng)系統(tǒng)只單獨(dú)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻時(shí)，只開(kāi)啟板式換熱器的電子膨脹閥6，冷卻液的溫度通過(guò)板式換熱器7能快速下降到設(shè)定溫度。之后，冷卻液溫度隨著壓縮機(jī)1的啟停和頻率變化，在設(shè)定的溫度15～25℃之間進(jìn)行周期性波動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)需要同時(shí)對(duì)車內(nèi)乘客區(qū)和電池進(jìn)行冷卻時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟車內(nèi)制冷和板式換熱器的電子膨脹閥(3、6)，并實(shí)時(shí)對(duì)冷卻液進(jìn)行流量分配，以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)和動(dòng)力電池同時(shí)最佳制冷。當(dāng)車內(nèi)乘客區(qū)溫度降低至設(shè)定溫度后若電池還有冷卻需求，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉車內(nèi)制冷電子膨脹閥3并保持電池冷卻電子膨脹閥6處于開(kāi)啟狀態(tài)，此時(shí)只對(duì)電池進(jìn)行冷卻，當(dāng)電池冷卻至設(shè)定溫度后系統(tǒng)將自動(dòng)停止壓縮機(jī)的工作。2)系統(tǒng)的加熱原理:如果在低溫氣候(一般＜0℃)下車輛長(zhǎng)時(shí)間停放，車輛使用前需要將電池包加熱至可以正常使用的溫度(一般為12℃)。本文所述某10m級(jí)電動(dòng)客車的8個(gè)箱體的加熱電阻膜采用串聯(lián)的方式進(jìn)行連接。當(dāng)電池最低溫度低于12℃時(shí)，由電池BMS控制加熱接觸器吸合，向動(dòng)力電池自身加熱；當(dāng)電池最低溫度高于15℃時(shí)，由電池BMS控制加熱接觸器斷開(kāi)，停止加熱。為了確保電池加熱過(guò)程中的使用安全，在加熱電回路中增加保險(xiǎn)絲。為了減少接觸器粘連而帶來(lái)的加熱接觸器無(wú)法斷開(kāi)導(dǎo)致的電池持續(xù)加熱的風(fēng)險(xiǎn)，在加熱電回路中正負(fù)極均使用了接觸器，正負(fù)極任何一個(gè)接觸器斷開(kāi)均能有效地切斷加熱回路。為了確保低溫狀態(tài)下有充足的電量為電池自身加熱，在動(dòng)力電池BMS控制策略設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要預(yù)留15%～20%的電量。此策略一方面為了保護(hù)動(dòng)力電池不發(fā)生深度放電而損壞電池；另一方面為了保證低溫狀態(tài)下有充足的電量為電池自身加熱。因此，一般動(dòng)力電池SOC低于20%時(shí)，整車應(yīng)通過(guò)限制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率并在儀表上開(kāi)啟電量低指示燈的方式提示用戶及時(shí)充電。由于加熱電流對(duì)電池來(lái)說(shuō)非常小，低溫狀態(tài)下動(dòng)力電池足以釋放該電流供電池加熱。2.3電池系統(tǒng)的制冷量、加熱量計(jì)算制冷量計(jì)算。本文8個(gè)動(dòng)力電池箱，其中4箱每箱電池需散熱的面積為1.489m2，另外4箱每箱電池需散熱的面積為1.335m2，整車電池需散熱的總面積約為11.3m2。按照牛頓冷卻公式，電池需求的制冷量Φ為:式中:h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，本文取200W/(m2·K)；A為電池需散熱的總面積，本文為11.3m2；ΔT為電池所需散熱的壁面溫度和電池冷卻液的溫度差，本文取3℃。計(jì)算結(jié)果為:Φ=200×11.3×3=6780W。因此，在整車制冷系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)時(shí)，其總制冷量應(yīng)在滿足車內(nèi)制冷效果的基礎(chǔ)上增加7kW為宜；板式換熱器的散熱能力應(yīng)大于7kW為宜。2)加熱量計(jì)算。本文所述的安裝在電池底部的電阻加熱膜使電芯的溫升速率為0.2℃/min。以車輛在－15℃環(huán)境溫度下將電芯加熱到15℃為例，消耗電能W為:式中:ρ為電熱膜功率密度，本文取2W/m2；A為加熱膜覆蓋電池的總面積，本文取2.5m2；t為電池從－15℃加熱到15℃的時(shí)間，本文為2.5h。計(jì)算結(jié)果為:W=2×2.5×2.5=12.5kWh。因此整車設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到低溫狀態(tài)下電池自加熱時(shí)消耗的電量，在滿足整車?yán)m(xù)行里程的基礎(chǔ)上增加12.5kWh電量為宜。2.4冷卻系統(tǒng)的管路流量、管徑及流阻計(jì)算1)電池冷卻液管路流量Q，計(jì)算公式如下:式中:q為電池冷卻循環(huán)的質(zhì)量流量；Q1為電池冷卻需要的換熱量；ρ為冷卻液的密度，取1053kg/m3；c為冷卻液的比熱容，取3.768kJ/kg·℃；Δt=to－ti，to和ti分別為流出和流入板式換熱器的溫度35℃和30℃。計(jì)算結(jié)果為:Q=20.5L/min。2)電池管路直徑d可參考以下公式計(jì)算:式中:W為體積流量，該車型冷卻管路有4個(gè)支路，即每個(gè)支路的W=Q/4=20.5/4=5.125L/min(本文取5L/min)；V為常用流速，一般在0.5～2m/s，本文取0.5m/s。計(jì)算結(jié)果為:d=14.59mm。3)電池冷卻管路阻力主要分為沿程水頭阻力和局部水頭阻力，可參考以下公式:式中:λ為沿程阻力系數(shù)，橡膠管取80/Ｒe；L為管路總長(zhǎng)度，m；d為管路直徑，m；V1為管內(nèi)流速，m/s；g為重力加速度，N/kg；S為單根管路截面積，m2；N為