純電動(dòng)客車動(dòng)力鋰電池的熱管理設(shè)計(jì)

劉 超，楊正興

(安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051)

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池具有工作電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)［1－2］，因此在電動(dòng)汽車中被廣泛應(yīng)用［3－5］。但該類電池的低溫充電性能不好，溫度降低時(shí)電池內(nèi)阻加大，電化學(xué)反應(yīng)速度放慢，極化內(nèi)阻迅速增加，電池放電容量和放電平臺(tái)下降，影響電池功率和能量的輸出［6］。如在－20℃時(shí)用0.3 C充電，充電容量只有25℃ 時(shí)最大充電量的70%［7］。同時(shí)，在低溫下充電，正極鋰脫出快，負(fù)極鋰向內(nèi)部的嵌入速度慢，就會(huì)造成鋰金屬在電極表面積累生成枝晶，使電池短路，帶來(lái)極大的安全隱患。這極大限制了純電動(dòng)汽車在冬季的正常使用。因此在現(xiàn)有鋰電池的技術(shù)條件下，還需要考慮鋰電池的保溫和加熱措施，確保其應(yīng)有的使用電量，同時(shí)還要考慮夏天動(dòng)力電池的散熱問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)出了動(dòng)力鋰電池的保溫、加熱和通風(fēng)系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)批量應(yīng)用在純電動(dòng)客車上，取得了良好效果。

1 動(dòng)力鋰電池的保溫系統(tǒng)

從軸荷分配和裝配空間考慮，動(dòng)力鋰電池組一般都布置在前后橋之間中段兩邊的艙內(nèi)，每個(gè)電池箱設(shè)有獨(dú)立的艙門(mén)，方便維修［8］。圖1為布置位置示意圖。

圖1 動(dòng)力電池安裝位置示意圖

由于每個(gè)動(dòng)力鋰電池組都是安裝在一個(gè)獨(dú)立的相對(duì)密閉的艙內(nèi)，因此對(duì)電池艙及電池箱本身做好保溫設(shè)計(jì)，即可有效地對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行保溫。以下為兩項(xiàng)措施:

1)動(dòng)力電池箱的保溫設(shè)計(jì)。采用在箱體內(nèi)壁貼附一層保溫棉的措施。保溫棉具有柔軟、抗壓能力強(qiáng)、防水等特性，具有超低的熱傳導(dǎo)率，材質(zhì)一般為無(wú)定型二氧化硅隔熱材料、氣凝膠隔熱材料或是新型高溫陶瓷纖維材料等。當(dāng)動(dòng)力鋰電池正常工作產(chǎn)生熱量時(shí)，由于箱體內(nèi)壁的保溫棉的絕熱功能，可以在一定程度上延緩電池組產(chǎn)生的熱量向箱外擴(kuò)散，起到動(dòng)力鋰電池的第一層保溫作用。

2)動(dòng)力電池艙的保溫設(shè)計(jì)。在動(dòng)力電池艙內(nèi)上表面、前后立面以及電池艙艙門(mén)內(nèi)壁貼附一層保溫棉。當(dāng)上述第1)條措施不能完全隔離正常工作產(chǎn)生的熱量時(shí)，電池艙內(nèi)上表面、前后立面以及電池艙艙門(mén)內(nèi)壁上的保溫棉可以進(jìn)一步延緩電池組的熱量向電池艙外擴(kuò)散，保證電池艙內(nèi)的溫度最優(yōu)化，起到動(dòng)力鋰電池的第二層保溫作用。

2 動(dòng)力鋰電池的加熱系統(tǒng)

動(dòng)力電池的加熱系統(tǒng)包含電池模組加熱器件、外部加熱高壓盒以及加熱控制模式，通過(guò)整體的加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的多功能加熱模式，保證電池組在低溫下的合理使用。

2.1 電池組間添加加熱膜或PTC

利用熱傳導(dǎo)原理，在動(dòng)力電池箱內(nèi)充分利用箱體空間，在箱體內(nèi)的每?jī)膳拍＝M中間采用添加加熱器件的設(shè)計(jì)。一般常用的加熱器件為加熱膜或PTC方式。當(dāng)加熱膜或PTC通電工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，并通過(guò)接觸傳導(dǎo)給電池模組。起到給動(dòng)力鋰電池加熱升溫的作用，加熱膜或PTC在電池模組的位置如圖2所示。一般加熱膜在模組立面中間，PTC在模組底部。

圖2 電池箱內(nèi)加熱膜或者PTC安裝

2.2 加熱高壓盒及加熱控制模式

除了上述電池箱內(nèi)加熱器件的設(shè)計(jì)外，還需要其外部的高壓以及低壓電器設(shè)計(jì)以組成電池高壓盒總成件，起到總體協(xié)調(diào)電池組充放電控制、加熱控制等作用。電池高壓盒的外部接口一般包括電池正負(fù)、放電正負(fù)、充電正負(fù)、加熱進(jìn)出、整車通訊、充電通訊、內(nèi)部通訊、調(diào)試口以及快速熔斷開(kāi)關(guān)。上述電池高壓盒的功能可實(shí)現(xiàn)利用充電樁加熱、整車靜止啟動(dòng)前的自加熱以及行車加熱等3種方式對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱。其高壓回路連接原理如圖3所示。

1)利用充電樁加熱。當(dāng)整車動(dòng)力電池組需要充電時(shí)，BMS主控制板首先檢測(cè)當(dāng)時(shí)的電池組溫度是否在0℃以上，如果是，則閉合充電正極、充電負(fù)極、充電加熱負(fù)極，斷開(kāi)充電加熱正極，進(jìn)入充電模式給電池組正常充電;如果不是，則閉合充電加熱正極、充電負(fù)極、充電加熱負(fù)極，斷開(kāi)充電正極，進(jìn)入加熱模式給電池組加熱，等電池組的溫度達(dá)到0℃以上后，再斷開(kāi)充電加熱正極，閉合充電正極切入到充電模式。

圖3 高壓回路連接原理示意圖

2)整車靜止啟動(dòng)前的自加熱。冬季寒冷地區(qū)，整車由于長(zhǎng)時(shí)間停放導(dǎo)致電池組的溫度接近于環(huán)境溫度，這時(shí)電池組的放電功率一般都會(huì)被BMS主控制板控制，允許其輸出比較小的放電功率，不能滿足整車的正常使用。此時(shí)就可以閉合自加熱/行車加熱正極和總負(fù)極，進(jìn)入自加熱模式，即電池組自己輸出電流給加熱器件供電，等電池組達(dá)到合適的溫度后再斷開(kāi)自加熱/行車加熱正極即可。

3)行車加熱。冬季寒冷地區(qū)，整車使用過(guò)程中，如果出現(xiàn)電池組的溫度偏低的情況，也會(huì)影響電池組的放電輸出功率大小，這時(shí)就可以在已經(jīng)閉合總負(fù)極的前提下再閉合自加熱/行車加熱正極，進(jìn)入行車加熱模式，即電池組在輸出電流給整車高壓負(fù)載使用的同時(shí)，再給加熱器件供電，起到邊行車邊加熱的作用。

3 可調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)

動(dòng)力電池在冬季需要保溫以及加熱的同時(shí)，也要解決夏季需要散熱的問(wèn)題，這就需要電池艙保溫設(shè)計(jì)具有柔性化，不能簡(jiǎn)單地把電池艙做成一個(gè)密閉的空間，需要留有一個(gè)活動(dòng)的、可調(diào)節(jié)的通風(fēng)口用于夏季散熱使用。由于純電動(dòng)客車大多匹配大電量、慢充式動(dòng)力電池，整車正常行駛時(shí)對(duì)動(dòng)力電池的工作功率需求比較適中，采用自然通風(fēng)冷卻方式即可滿足動(dòng)力電池系統(tǒng)的散熱需求。圖4為艙門(mén)可調(diào)節(jié)通風(fēng)裝置示意圖。

圖4 艙門(mén)可調(diào)節(jié)通風(fēng)裝置示意圖

防水盒設(shè)計(jì)在電池艙門(mén)內(nèi)側(cè)，上面設(shè)計(jì)有活動(dòng)蓋，可以打開(kāi)和關(guān)閉。冬季，活動(dòng)蓋下翻至與防水罩貼合形成一個(gè)密閉的電池艙空間，起到電池艙保溫的功能。夏季，活動(dòng)蓋上翻至與艙門(mén)面貼合，電池艙內(nèi)的熱量從通風(fēng)口排出電池艙外，起到給電池組散熱的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合整車對(duì)動(dòng)力電池的保溫加熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與研究，提出了可靠、有效的動(dòng)力電池保溫加熱通風(fēng)設(shè)計(jì)的技術(shù)方案。該方案已在安凱純電動(dòng)城市客車上批量應(yīng)用，效果良好，可為純電動(dòng)城市客車整車動(dòng)力電池的保溫加熱設(shè)計(jì)提供參考。

修改稿日期:2018－06－11