電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的選型和布置

馮還紅

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023)

電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是通過外部設(shè)備來調(diào)節(jié)電池的工作溫度，使電池始終能在合適的溫度范圍內(nèi)工作。對于鋰電池來說，其溫度在20～35 ℃工作狀態(tài)最佳。溫度較低時其容量衰減，功率性能下降；溫度較高時自放電風(fēng)險增加，內(nèi)部副反應(yīng)增多，影響電池的可用容量，降低電池的使用壽命和效率[1-2]。電池?zé)峁芾戆ǎ涸谙奶?，?dāng)電池溫度過高時，給電池降溫，避免電池產(chǎn)生不可逆的熱反應(yīng)而發(fā)生安全事故；在冬天，當(dāng)電池溫度過低時，能夠給電池加熱，保證電池的充放電性能，同時避免電池低溫工作時在電池負極產(chǎn)生析鋰而造成電池內(nèi)部短路等風(fēng)險[3-4]。

1 電池?zé)峁芾碓O(shè)備的選型

電池?zé)峁茉O(shè)備的選型需要結(jié)合車輛使用場景及電池布置位置進行，以滿足車輛對電池?zé)峁芾淼囊?，確保電池處于“舒適”的工作環(huán)境中，從而提高電池使用壽命。下面介紹幾種客車常見的電池?zé)峁芾碓O(shè)備的選型。

1) 簡易機組。制冷時將空調(diào)冷氣引入機組內(nèi)與循環(huán)防凍液進行熱交換；制熱時是電液體式加熱器加熱循環(huán)防凍液。防凍液冷卻或加熱后進入電池箱，對電池進行熱管理，確保電池在控制的溫度范圍內(nèi)。與獨立機組和非獨立機組相比，簡易機組成本最低、系統(tǒng)最簡單，同時因簡易機組無蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，相對來說也最安全。但其冷氣來自車輛制冷設(shè)備，因此必須安裝制冷設(shè)備，同時制冷設(shè)備剛開始工作時，冷氣溫度較高，簡易機組的制冷能力較差，制冷功率較小，一般小于2 kW。適合安裝于充放電倍率較低的慢充型電池的混合動力客車。

2)獨立機組。獨立機組自帶的壓縮機、冷凝器和板式換熱器組成制冷循環(huán)，其產(chǎn)生的低溫低壓冷媒在板式換熱器內(nèi)與進入機組內(nèi)的循環(huán)防凍液進行熱交換[5]；制熱時通過電液體式加熱器加熱循環(huán)防凍液。防凍液冷卻或加熱后進入電池箱，對電池進行熱管理。與非獨立機組相比，多了一套單獨制冷用的壓縮機和冷凝器，成本較高。但由于其系統(tǒng)為一個單獨系統(tǒng)，控制邏輯相對于非獨立機組較簡單，同時冷媒接頭數(shù)量少，相對也較為安全。獨立機組制冷能力可根據(jù)需要選擇，一般在2 kW以上。適合安裝于充放電倍率較高的快充型電池的混合動力和純電動客車上。

3) 非獨立機組。通過將另外的制冷設(shè)備產(chǎn)生的低溫低壓的冷媒在板式換熱器內(nèi)與進入機組內(nèi)的循環(huán)防凍液進行熱交換；制熱時通過電液體式加熱器加熱循環(huán)防凍液，防凍液冷卻或加熱后進入電池，對電池進行熱管理。因此，必須安裝制冷設(shè)備，且由于變頻壓縮機的頻率有最低值，造成非獨立機組產(chǎn)生的功率大，一般在6 kW以上。與獨立機組相比，存在電池?zé)峁芾砗驼囍评涞男枨笙鄾_突，因此，其控制邏輯最為復(fù)雜。適合安裝于充放電倍率較高的快充型電池的純電動客車。

2 電池?zé)峁芾碓O(shè)備的布置

2.1 電池?zé)峁芾碓O(shè)備布置的基本原則

電池?zé)峁芾碓O(shè)備的布置與電池布置密切相關(guān)，在實際布置時要遵循如下原則：

1) 根據(jù)電池頂置、底置和后置狀態(tài)就近布置電池?zé)峁芾碓O(shè)備，并盡量避免在所布置狀態(tài)下存在的缺點。

2) 對于獨立式電池?zé)峁芾碓O(shè)備，安裝時要增加減振膠墊，并且要確保冷凝器的進風(fēng)和出風(fēng)要通暢，不允許回流現(xiàn)象發(fā)生；對于簡易熱管理設(shè)備，冷空氣要從整車制冷設(shè)備的風(fēng)道引取，從冷風(fēng)道引風(fēng)的位置應(yīng)盡可能靠近整車制冷設(shè)備的蒸發(fā)器出口處。

3) 加快電池箱水冷板內(nèi)部防凍液循環(huán)的水泵進水口要盡可能靠近定壓和為水冷卻循環(huán)系統(tǒng)加防凍液的膨脹水箱，膨脹水箱要位于電池冷卻系統(tǒng)的最高位置，且需要增加排氣管裝置，用于排除防凍液在加熱或者降溫過程中釋放出來的空氣，避免加防凍液困難。

4) 對于多組電池冷卻，為了減小不同電池內(nèi)部分溫差，流經(jīng)電池箱的水路要盡量采用并聯(lián)方式，且單一支路最大不能超過3塊電池箱。

5) 如選裝PTC電液體加熱器，需要將其布置在水泵之后水路循環(huán)較低位置，禁止置于水路循環(huán)的最高點。

6) 水管路要盡可能短，且盡量大的轉(zhuǎn)彎半徑；管路增加保溫措施，減少防凍液在管路運輸中的熱損失；管路接頭應(yīng)采用不銹鋼或尼龍材料，不使用銅材，避免銅銹腐蝕電池箱內(nèi)的冷卻板，確保電池不發(fā)生泄漏。

7) 要考慮熱管理設(shè)備檢修方便性。

電池?zé)峁芾硗ㄓ迷韴D，如圖1所示。

圖1 電池?zé)峁芾硗ㄓ迷韴D

2.2 不同布置方式的優(yōu)缺點

2.2.1 頂置

圖2是某純電動客車安裝獨立機組型式的電池?zé)峁芾碓O(shè)備頂置的布置狀態(tài)。電池?zé)峁芾碓O(shè)備包括制冷機組、水冷循環(huán)系統(tǒng)、電液體式加熱器和水泵，與電池箱一起安裝在車頂支架上，車頂支架通過頂蓋骨架的預(yù)埋螺栓固定在車頂上。在設(shè)計時要注意水泵盡量位于水路最低點，膨脹水箱與水路的高度差盡量大。

由于支架是可拆卸的，因此電池?zé)峁芾碓O(shè)備及相關(guān)管路的布置安裝可以在地面上進行，布置安裝完成后再與支架一起吊上車頂固定，這樣現(xiàn)場裝配時有相對大的操作空間，有助于提高裝配效率。同時，設(shè)備布置在車頂還有以下好處：空氣相對干凈，減少了熱管理設(shè)備因為水冷機組的冷凝器表面灰塵積累而導(dǎo)致的換熱效率下降；不用改變車身基本結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)空間不受影響，布置更為靈活；可以保證冷卻管路基本在同一個平面，減少了由于管路布置高低不平帶來的水路阻力,提高了流經(jīng)各個電池箱水流量的一致性，有利于電池溫差在要求的范圍內(nèi)[6-7]。

當(dāng)然，頂置式布置也有一些缺點：增加了頂蓋骨架和側(cè)圍骨架的負荷，對車身骨架強度有更高的要求；提高了整車的重心，對車輛穩(wěn)定性有一定影響；增加了車輛超高的風(fēng)險。

1—制冷機組； 2—水泵； 3—電液體式加熱器；4—膨脹水箱； 5—電池箱。圖2 電池?zé)峁芾碓O(shè)備頂置狀態(tài)

2.2.2 底置

圖3是某純電動客車安裝獨立機組型式的電池?zé)峁芾碓O(shè)備底置的布置狀態(tài)，電池?zé)峁芾碓O(shè)備包括制冷機組、水冷循環(huán)系統(tǒng)和水泵，均固定在底架上，管路也布置在底架下面。

1—制冷機組； 2—水泵； 3—膨脹水箱； 4—電池箱。圖3 電池?zé)峁芾碓O(shè)備底置狀態(tài)

電池?zé)峁芾碓O(shè)備底置布置的優(yōu)點從整車電池布置的合理性考慮，主要是車輛重心低，穩(wěn)定性好，車輛外形美觀，不影響空調(diào)頂機和天窗的布置等[8]。但從電池?zé)峁芾碓O(shè)備布置的合理性角度考慮，底置有如下一些劣勢：一方面，水路需要穿過底架，不可避免會造成冷卻水管路高度不一致，產(chǎn)生額外的阻力和降低了經(jīng)各個電池箱水流量的一致性，如布置不當(dāng)非常容易造成電池溫差；其次，水冷機組及相關(guān)部件布置空間受限，車身、底架改動大；再次，由于熱管理設(shè)備有高壓部件，布置在底部需要考慮車的涉水深度；最后，由于空間限制，后期的檢修也相對不便。

2.2.3 后置

圖4是某混合動力客車安裝簡易機組型式的電池?zé)峁芾碓O(shè)備后置的布置狀態(tài)。電池?zé)峁芾碓O(shè)備的制冷機組、水冷循環(huán)系統(tǒng)、電液體式加熱器水泵集成一體與電池一起布置在車輛后部上面的艙內(nèi)。

電池?zé)峁芾碓O(shè)備布置于后艙不影響整車造型，設(shè)備后期檢修方便；另外，相對于底置布置系統(tǒng)接近于地面溫度較高，而頂置布置系統(tǒng)受到太陽輻射面溫度較高，電池和熱管理設(shè)備布置于后艙其外部熱負荷相對較小；最后，設(shè)備布置于后艙不會像底置一樣影響車的涉水深度。電池?zé)峁芾碓O(shè)備布置于后艙的缺點主要體現(xiàn)在減少了乘客區(qū)使用空間，對車輛軸荷分配也有一定影響。

1—制冷機組； 2—膨脹水箱； 3—電池箱； 4—冷氣引入。圖4 電池?zé)峁芾碓O(shè)備后置狀態(tài)

3 結(jié)束語

目前，電動客車上常見的電池?zé)峁芾碓O(shè)備的型式及布置主要有本文介紹的幾種，作為電動客車重要組成部分的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時刻扮演著電池“保姆”的角色，保證動力電池使用性能、安全性和壽命[9-10]。因此，在實際應(yīng)用中，充分了解電池?zé)峁芾碓O(shè)備的型式及布置非常重要。