動(dòng)力鋰電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

李兵

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥　230051）

?

動(dòng)力鋰電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

李兵

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

摘要：設(shè)計(jì)一種動(dòng)力鋰電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻和加熱的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，應(yīng)用該管理系統(tǒng)能夠提高電池冷卻或加熱的一致性，并大大縮短電池的冷卻或加熱時(shí)間，同時(shí)明顯降低熱管理的能耗。該系統(tǒng)已在部分車輛上實(shí)際應(yīng)用，可為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力鋰電池；并聯(lián)式；液相熱管理系統(tǒng)

動(dòng)力電池的性能很大程度上決定電動(dòng)汽車的性能[1-5]。鋰離子電池與傳統(tǒng)可充電電池相比較，具有工作電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，已成為近幾年電動(dòng)汽車用的動(dòng)力電池[3，6-7]。鋰電池雖有上述優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是顯而易見的。如錳酸鋰和三元材料鋰電池在高溫下正極材料容易分解，磷酸鐵鋰電池的低溫充電性能不好等[3，8-9]。所以在高溫、低溫或在溫度不均衡情況下使用鋰電池都是不安全的[10-11]。因此，使用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行冷卻或加熱，是解決鋰電池高、低溫性能不好的有效手段之一[3]。本文對(duì)動(dòng)力電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究電池在冷卻或加熱后的溫度差異，以及冷卻或加熱所需時(shí)間，同時(shí)也研究該熱管理系統(tǒng)的電能消耗。

1　動(dòng)力鋰電池并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)是針對(duì)動(dòng)力鋰電池的使用所設(shè)計(jì)的對(duì)動(dòng)力電池的冷卻和加熱系統(tǒng)，其特征在于不同電池箱之間的熱管理液相水路是并聯(lián)的。因此，能夠快速、穩(wěn)定地對(duì)動(dòng)力鋰電池進(jìn)行冷卻或加熱。

本文所述的動(dòng)力鋰電池的并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)，就是將一車輛上的所有電池箱的進(jìn)水管并聯(lián)在一起，所有出水管并聯(lián)在一起，保證在熱管理時(shí)液體能夠同時(shí)進(jìn)入和流出不同的電池箱體，從而能夠?qū)嚿系乃袖囯姵剡M(jìn)行同時(shí)冷卻和加熱，提升熱管理效果。該系統(tǒng)目前已在安凱13.7 m K07CHEV城際混合動(dòng)力客車上實(shí)際應(yīng)用，實(shí)車裝配的單體電池?cái)?shù)量198個(gè)，共33個(gè)箱體串聯(lián)，總電壓及容量分別為634V和200Ah。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的效果，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性和安全性，選取其中的5箱電池在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)連接如圖1所示。

該系統(tǒng)中，加熱器2的出水口連接第一箱進(jìn)水三通閥的一端，三通閥的另一端為出水口，接第二箱進(jìn)水三通閥的一端，……，如此五個(gè)箱體的進(jìn)水三通閥依次相連，在第五箱的進(jìn)水三通閥出水端安裝堵頭；同樣五個(gè)箱體的出水三通閥依次相連，在第一箱的出水三通閥的一端安裝堵頭。第五箱出水三通閥的出水口接電子三通閥4的進(jìn)水口，電子三通閥4的兩個(gè)出水口分別接膨脹水箱5的進(jìn)水口和冷卻水箱6的進(jìn)水口。另外，對(duì)于電池箱熱管理儲(chǔ)液容器的設(shè)計(jì)分內(nèi)腔和外腔，內(nèi)腔用于儲(chǔ)存調(diào)溫液體，外腔用于安裝鋰電池，如圖2所示。

圖1　并聯(lián)式熱管理系統(tǒng)水路連接圖

圖2　電池箱內(nèi)電池在冷卻容器的安裝圖

腔體采用銅質(zhì)材料，表面鍍鎳，厚度為2 mm，在腔體同一側(cè)的下端和上端分別設(shè)置有進(jìn)水孔和出水孔；將外腔裝配好電池后整體放在電池箱內(nèi)，每個(gè)電池箱裝相同型號(hào)及數(shù)量的6個(gè)單體電池，再將腔體的進(jìn)水孔和出水孔處分別連接一個(gè)三通閥，電池箱體的大小以裝下整個(gè)電池腔體為宜，在高度方向預(yù)留有電池的線束走向空間即可。將國內(nèi)某電池廠動(dòng)力鋰電池安裝在該熱管理系統(tǒng)中，其中，單體電池的額定容量為200 Ah，標(biāo)稱電壓為3.2 V，尺寸為長150 mm×寬80 mm×高255 mm。

為了檢驗(yàn)動(dòng)力鋰電池并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)的效果，本文選用目前市場(chǎng)上比較常用的空氣冷卻和電加熱系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為常規(guī)系統(tǒng)）與本系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)。常規(guī)系統(tǒng)采用在每個(gè)箱體內(nèi)裝配40W的風(fēng)扇（五個(gè)箱體的風(fēng)扇總功率與圖1中的冷卻風(fēng)扇8的功率相同），電池箱開百葉窗保證氣流暢通；其電加熱系統(tǒng)采用在每個(gè)電池箱體內(nèi)壁設(shè)置120 W的加熱帶（五個(gè)箱體的加熱帶總功率與圖1中的加熱器2的功率相同），并將電池箱的百葉窗密封，常用的冷卻和加熱系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　常規(guī)的冷卻和加熱系統(tǒng)連接

2　熱管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及分析

2.1實(shí)驗(yàn)方法

在對(duì)圖1所示的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行電池冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí)，箱體外部環(huán)境為恒溫25℃，用1C電流對(duì)電池充放電。當(dāng)電池的最高溫度達(dá)到35℃時(shí)，開啟水泵1和電子三通閥4和冷卻水箱6的出水口，同時(shí)開啟風(fēng)扇8，使水路循環(huán)對(duì)電池進(jìn)行冷卻；當(dāng)電池的最高溫度達(dá)到30℃時(shí)，關(guān)閉以上三個(gè)器件停止冷卻。在進(jìn)行電池加熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，箱體外部環(huán)境為恒溫零下5℃；當(dāng)電池的最低溫度為0℃時(shí)，開啟水泵1和加熱器2，同時(shí)開啟電子三通閥4和膨脹水箱5的出水口，使水路循環(huán)對(duì)電池進(jìn)行加熱；當(dāng)電池最低溫度達(dá)到5℃時(shí)，關(guān)閉以上三個(gè)器件停止加熱。

對(duì)圖3所示的常規(guī)系統(tǒng)的電池冷卻和加熱實(shí)驗(yàn)與上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度相同。采用24V蓄電池為各箱體并聯(lián)供電，分別用冷卻和加熱控制開關(guān)控制電池的冷卻和加熱。在進(jìn)行電池冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí)，用1C電流對(duì)電池充放電。當(dāng)電池的最高溫度達(dá)到35℃時(shí)，開啟風(fēng)扇，對(duì)電池進(jìn)行冷卻；當(dāng)電池的最高溫度降低到30℃時(shí)，關(guān)閉風(fēng)扇，停止對(duì)電池冷卻。在進(jìn)行電池加熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)電池的最低溫度為0℃時(shí)，開啟加熱帶，對(duì)電池進(jìn)行加熱；當(dāng)電池最低溫度達(dá)到5℃時(shí)，關(guān)閉加熱帶，停止對(duì)電池加熱。

電池的溫度測(cè)量采用在每個(gè)電池箱裝三個(gè)溫度探頭，分別裝在不同位置的電池上，且不同箱體的溫度探頭對(duì)應(yīng)位置相同，電池的冷卻和加熱都采用智能控制，冷卻和加熱實(shí)驗(yàn)都分別做三次。記錄每次開始實(shí)驗(yàn)和停止實(shí)驗(yàn)時(shí)電池的溫度，同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

2.2冷卻實(shí)驗(yàn)

并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)冷卻實(shí)驗(yàn)的電池由最高溫度35℃降至最高30℃時(shí)，電池的溫度及時(shí)間數(shù)據(jù)如表1-表5所示。

表1　第一次冷卻對(duì)比實(shí)驗(yàn)溫度記錄表　℃

表2　第二次冷卻對(duì)比實(shí)驗(yàn)溫度記錄表　℃

表3　第三次冷卻對(duì)比實(shí)驗(yàn)溫度記錄表　℃

表4　冷卻實(shí)驗(yàn)溫度極差統(tǒng)計(jì)表　℃

表5　冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表　min

由上表可以得出，用并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)冷卻后，電池之間溫差不大；而采用常規(guī)系統(tǒng)冷卻的，電池之間溫差較大。因此，使用并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻，能夠明顯提高電池溫度的一致性，而且能夠明顯降低冷卻所用的時(shí)間；每次冷卻節(jié)約的電量為（35.5-11）/60×200=81.7 Wh。

2.3加熱實(shí)驗(yàn)

并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的加熱實(shí)驗(yàn)電池溫度由最低溫度0℃升至最低5℃時(shí)，電池的溫度及時(shí)間數(shù)據(jù)如表6-表10所示。

表6　第一次加熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)溫度記錄表　℃

表7　第二次加熱實(shí)驗(yàn)溫度記錄表　℃

表8　第三次加熱實(shí)驗(yàn)溫度記錄表　℃

表9　加熱實(shí)驗(yàn)溫度極差統(tǒng)計(jì)表　℃

表10　加熱實(shí)驗(yàn)溫度極差統(tǒng)計(jì)表　℃

由上表可以得出，用并聯(lián)式液相加熱后，電池之間溫差不大；而采用常規(guī)系統(tǒng)加熱的，電池之間溫差較大。因此，使用并聯(lián)式液相熱管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱，能夠明顯提高電池溫度的一致性，而且能夠明顯減少加熱所用的時(shí)間，每次加熱節(jié)約的電量為（54.8-22.5）/60×600=323 Wh。

3　結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用并聯(lián)式液相系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力鋰電池進(jìn)行冷卻或加熱，能夠提高電池溫差的一致性，大大縮短冷卻或加熱的時(shí)間，同時(shí)能夠明顯地降低電能的消耗。目前采用該方式對(duì)動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾碇饕窃?0 m以上的電動(dòng)客車上應(yīng)用，乘用車和小型客車上暫時(shí)還沒有應(yīng)用，主要是受到水路系統(tǒng)安裝空間的影響。隨著后期研究的深入，水路系統(tǒng)將會(huì)朝著集成一體化方向發(fā)展，所需的裝配空間也會(huì)越來越小，有望可以在電動(dòng)乘用車和小型客車上使用該系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳清泉.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[2]魏學(xué)哲，孫澤昌，鄒廣楠.模塊化的HEV鋰離子電池管理系統(tǒng)[J].汽車工程，2004，26（6）：629-631.

[3]李兵，丁傳記，孫全勝，等.預(yù)加熱對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池性能影響的研究[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（3）：25-27.

[4]仝志軍，張志國，張泱淵.一種新型純電動(dòng)城市客車鋰電池組的PACK及管理[J].客車技術(shù)與研究，2013，35（6）：35-37.

[5]車兆華.對(duì)純電動(dòng)城市客車發(fā)展的一些思考[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（5）：45-46.

[6] WANG J Q.Progress on Lithium Ion Batteries with LiFePO4 as Positive Material for EV & Other Applications [A]. The 3rd Korea-China Lithium Battery Workshop[C]. Chang-Won：2007.

[7]史瑞祥，凌澤，夏晴，等.電動(dòng)汽車用鋰電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題及建議[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（1）：41-43.

[8]Junichi Shirakawa，Masanobu Nakayama et al. Changes in Electronic Structure upon Li Insertion Reaction of Monclinic Li3Fe2 （PO4）3 [J].J. Phys. Chem. B2006，110.

[9]裴春松.純電動(dòng)汽車電安全分析與設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（1）：20-22.

[10]馮詳明，鄭金云，李榮富，等.鋰離子電池安全[J].電源技術(shù)，2009（1）：7-9.

[11]楊軍，解晶瑩，王久林.化學(xué)電源測(cè)試原理與技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

修改稿日期：2015-09-30

Design and Experiment Research on Parallel Type of Liquid Phase Thermal Management System for Power Lithium Battery

Li Bing
（Anhui Ankai Autombile Co., Ltd, Hefei 230051, China）

Abstract：In this paper, the parallel liquid phase thermal management system of power lithium battery is designed, the cooling and heating system experiments are carried out as well by comparing the common system. The result shows that this system can improve the cooling and heating temperature consistency of the batteries, greatly shorten the batteries coolingor heatingtime, and obviouslyreduce the energyconsumption ofthermal management. The system has been applied in some vehicles and can provide reference for the design of the battery thermal management system.

Key words:power lithiumbattery; parallel type; liquid phase thermal management

作者簡(jiǎn)介：李兵（1973-），男，工學(xué)碩士；工程師。

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃課題（2014BAG06B00）

中圖分類號(hào)：U469.7；TN37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-3331（2016）01-0054-03