嵌入“弓”形隔板的BSG動力電池系統(tǒng)

文/長城汽車股份有限公司技術(shù)中心

河北省汽車工程技術(shù)研究中心

吳世超 侯海杰 李猛 王艷霞

引言

B S G（Belt Driven Starter Generator）混合動力汽車，屬于弱混合動力汽車。由于BSG系統(tǒng)較好地兼顧汽車節(jié)能環(huán)保與成本問題，未來或?qū)⒊蔀樗袀鹘y(tǒng)動力汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。電池系統(tǒng)作為該BSG動力系統(tǒng)的能量提供單元，對BSG電機(jī)的性能發(fā)揮起著非常重要的作用。

由于弱混動力汽車要求的電池容量較小，大約為0.5Kwh-1.2Kwh，故占用空間較小，具有布置較靈活的特點(diǎn)，一般采用風(fēng)冷卻的熱管理方式。但由于單體電芯固定結(jié)構(gòu)、電氣連接、安全防護(hù)等結(jié)構(gòu)的影響，風(fēng)冷卻對電池的散熱效果較不明顯，往往過于注重?zé)峁芾矶率拱惭b固定結(jié)構(gòu)過于輕薄，即在安全方面存在隱患；或過于注重結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計(jì)而忽略了熱管理，導(dǎo)致電池的性能及壽命受到影響。

現(xiàn)有風(fēng)冷卻技術(shù)，單體電芯的固定，通過貫穿電芯框架的長螺栓壓緊；或者緊貼電池體的鋁板壓緊；或者通過塑料框架進(jìn)行限位，由塑料卡接結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。熱管理方面的風(fēng)，通常流經(jīng)單體電芯與單體電芯之間的間隙，將電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量帶走。

在結(jié)構(gòu)方面，現(xiàn)有模組只是對模組進(jìn)行固定、壓緊等，當(dāng)對現(xiàn)有模組或電池包進(jìn)行機(jī)械撞擊等安全試驗(yàn)時，外力很容易地通過固定外框架傳遞至單體電芯上，單體電池殼體受到擠壓，易發(fā)生危險(xiǎn)事故（內(nèi)部過壓、漏液、著火、爆炸等）。另一方面，在金屬異物刺入電池包內(nèi)，由于缺少必要的緩沖結(jié)構(gòu)單元，往往會發(fā)生內(nèi)部短路（此短路可致使電池發(fā)生漏液爆炸）。

在熱管理方面，現(xiàn)有的風(fēng)冷卻風(fēng)道從電芯與電芯之間的間隙通過，間隙內(nèi)部無引流、熱傳導(dǎo)等結(jié)構(gòu)，往往風(fēng)較快通過了間隙，并不能帶走電池的大部分熱量或帶走的熱量很少；如果匹配更大的鼓風(fēng)機(jī)，產(chǎn)生更多的鼓風(fēng)量，卻要消耗較多的能量。

電芯在充放電過程中，熱量集中在電池靠近極柱的一端，若電池極柱向上放置，即電池的上端溫度要高于電池下端的溫度（此溫差較小，約在3攝氏度以內(nèi)，如圖1所示），而現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)冷卻不能減小電池單體內(nèi)部的溫差。

圖1 ：電池表面溫度場分布圖

1 “弓”形BSG電池系統(tǒng)

針對該BSG電池包系統(tǒng)應(yīng)從結(jié)構(gòu)、熱管理兩方面進(jìn)行兼顧式設(shè)計(jì)，并根據(jù)電池的機(jī)械特性（主要從電池充放過程中電池殼體膨脹等），保證其安裝后的一致性（電壓、容量、SOC、內(nèi)阻等的一致）。本文所介紹的嵌入有“弓”形隔板的電池系統(tǒng)，完美地兼顧了結(jié)構(gòu)及熱管理這兩大方面。

1.1原理結(jié)構(gòu)圖

該BSG電池系統(tǒng)由電氣保護(hù)蓋（1）、殼體（2，14）、風(fēng)道（3，4）、有毒有害氣體排氣裝置（10，5）、電氣單元（6）、BCU電池控制單元（7）、模組（9，11，12，13）、密封海綿（8）等組成。

模組由單體電池、“弓”形框架、兩端的端壓板組成。

殼體部分固定模組及電氣件。該系統(tǒng)為48V，由26個單體電芯（2并聯(lián)13串聯(lián)）組成（如圖2整體結(jié)構(gòu)圖）。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，在電芯和電芯之間上下處增加塑料框架，塑料框架之間留有一定的裝配間隙（1～2mm）。在電芯和電芯之中間增加類似“弓”形的隔板（如圖3“弓”形隔板框架）。當(dāng)受到擠壓時或異物刺入時，電芯和電芯之間的“弓”形的隔板發(fā)生潰縮，塑料框架的間隙縮小，直到塑料框架相接觸，起到支撐電芯的作用，保證電芯的殼體免于受到擠壓。

另一方面，“弓”形隔板與塑料框架一體式設(shè)計(jì)，此“弓”形隔板可以為塑料、鋁、鋼等金屬。若為鋁材質(zhì)時，鋁“弓”形隔板與塑料框架為一體，在裝配時，先后順序?yàn)椋簬тX“弓”形隔板的塑料框架—單體電芯—帶鋁“弓”形隔板的塑料框架—單體電芯……此一體設(shè)計(jì)便于安裝與拆卸。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 ：“弓”形隔板框架

1.3熱管理

熱管理方面，采用電芯兩側(cè)進(jìn)出風(fēng)，可以對“弓”形板框架進(jìn)行尺寸更改和內(nèi)部隔端距離的修正，可實(shí)現(xiàn)將流經(jīng)最前部和最后部的電池間隙的風(fēng)量保持一致。

風(fēng)道將外界的冷風(fēng)引入電池包內(nèi)，對電芯進(jìn)行散熱，排氣裝置將電池內(nèi)發(fā)生有毒有害氣體或由于電池故障噴出可燃?xì)怏w導(dǎo)出車外，保證乘員的安全。在進(jìn)風(fēng)口出安裝有PTC熱泵，在低溫情況下，可對電池進(jìn)行加熱（如圖4）。

BCU（電池控制單元）監(jiān)測電池的狀態(tài)，采集電池的電壓、溫度，并對電氣單元中的繼電器等進(jìn)行控制。

電芯之間的“弓”形隔板，一方面將引導(dǎo)風(fēng)流經(jīng)電芯的表面，使電芯上下表面的風(fēng)速保持一致（若實(shí)際中不一致，可通過調(diào)節(jié)各個“弓”形隔板內(nèi)的隔斷的大小解決）。另一方面，若“弓”形隔板為鋁材質(zhì)的，還可以與電池表面緊密接觸，由高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁隔板，將電池的熱量傳遞出來?！肮毙胃舭逵行г黾优c風(fēng)的換熱接觸面積，并結(jié)合隔板內(nèi)隔斷之間的間距來調(diào)節(jié)上下風(fēng)量大小，使單體電池之間的溫差控制在5℃，單體電池表面溫差（最大溫度往往出現(xiàn)在電池的極柱一端—極柱向上，最大溫度出現(xiàn)在電池上端—可見圖1電池表面溫度場分布圖）保持一致。

2 系統(tǒng)功能概述

該蓄電池系統(tǒng)具有以下功能：

1) 負(fù)責(zé)給整車提供所需要的電能，且具備上電自檢功能和故障預(yù)警功能。

2) 通過制動回收電能。

3) 具備電壓安全管理和電壓、電流檢測功能，能夠?qū)崿F(xiàn)過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)，實(shí)現(xiàn)電壓正負(fù)極絕緣電阻測量。（可以不具備絕緣防護(hù)功能）

4) 具備系統(tǒng)電流檢測功能和過流保護(hù)功能。

5) 具備與整車控制器之間的狀態(tài)交互功能。

6) 具備與整車控制器的CAN總線的通信界面。

7) 具備溫度檢測功能，能夠?qū)崿F(xiàn)超高溫度保護(hù)。

8）風(fēng)冷卻熱管理。

9) 電池包安全方面：

①電池包通過繼電器、保險(xiǎn)絲等實(shí)現(xiàn)多重的保護(hù)；

②采用繼電器保證電池包總正總負(fù)端在非工作狀態(tài)無輸出；

③選用熔斷器來雙重保護(hù)在使用過程中可能出現(xiàn)的過流、短路等狀況；

④有毒有害氣體導(dǎo)出車外，保證乘員的安全。

圖4 ：冷卻原理圖

3 結(jié)論

在新能源汽車中電池管理方面，熱管理和結(jié)構(gòu)安全兩方面尤為重要，通過對上述新結(jié)構(gòu)在熱管理及結(jié)構(gòu)安全兩方面的詳細(xì)闡述，可以看出新結(jié)構(gòu)在安全性能與熱管理方面都進(jìn)行了改進(jìn)，對安全考慮較充分，減小了發(fā)生碰撞后電池系統(tǒng)發(fā)生著火爆炸的危險(xiǎn)系數(shù)，提高了整車車輛的安全性。

[1] (美)Mehrdad Ehsani，Yimin Gao，Ali Emadi.現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車—基本原理、理論和設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.2010.8.

[2] 蹇小平，麻友良.《汽車電器與電子技術(shù)》.人民交通出版社.2011.5.

[3]（波蘭）Antoni Szumanowski.《混合電動車輛基礎(chǔ)》. 陳清泉,孫逢春編譯.北京理工大學(xué)出版社.2001.

[4] 徐志生.《汽車?yán)碚摗?機(jī)械工業(yè)出版社.2006