動力鋰電池保溫方法的研究

李 兵，丁延松，王宇雨，雷 超

(安徽安凱汽車股份有限公司，合肥 230051)

很大程度上動力電池的性能決定了電動汽車的性能。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,已成為近幾年電動汽車應(yīng)用最廣的動力電池[1-3]。

鋰電池雖有上述優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是顯而易見的。如在低溫時，其電化學(xué)性能不好；在高溫時，其一致性變差[4-5]。一般認(rèn)為動力鋰電池的正常工作溫度范圍為0～60 ℃。目前動力鋰電池的低溫解決方案通常采用加熱法，但此方法故障較多，且不安全。而對動力鋰電池保溫是一種安全、經(jīng)濟(jì)的低溫解決方案。動力鋰電池冷卻方式一般采用自然通風(fēng)和強(qiáng)制液冷[6]。

由于該設(shè)計方案是針對中國北方市場，即使在夏季使用電池，溫度也很難達(dá)到60 ℃，采用自然通風(fēng)冷卻即能滿足電池散熱需求。因此，本文主要研究鋰電池的保溫方法。

1 動力鋰電池的保溫設(shè)計

鋰電池的保溫方法，目前主要采用在電池箱外面覆蓋保溫被，即在電池箱表面覆蓋厚度為15 mm的絲綿被。該方法雖然在前期車輛制造時操作簡單，但不能覆蓋到電池箱體底部。因此，保溫不均勻，易造成局部溫差較大。本文針對某款10.5 m純電動城市客車，采用聚氨酯對動力電池艙立面和底面進(jìn)行發(fā)泡，同時在發(fā)泡層、電池艙上部和電池艙門敷設(shè)隔熱防火材料的保溫方法，并研究其保溫效果。其動力鋰電池的局部裝配方式如圖1所示。

圖1 動力電池箱裝配的局部視圖

在電池艙的前立柱前面、后立柱后面以及電池艙底部下側(cè)焊接蒙皮，在蒙皮內(nèi)部用聚氨酯進(jìn)行發(fā)泡，使發(fā)泡層位于電池艙內(nèi)部，然后在發(fā)泡層表面和電池艙頂部敷設(shè)一層厚度為5 mm的隔熱防火材料。聚氨酯的傳熱系數(shù)為0.506 W/(m2·K)，隔熱防火材料的傳熱系數(shù)為0.453 W/(m2·K)。其耐火性能參數(shù)分別為：試樣燃燒熱釋放量達(dá)到0.2 MJ時的燃燒增長率指數(shù)FIGRA0.2 MJ等于0 W/s，火焰在試樣長翼上的橫向傳播狀態(tài)LFS小于試樣邊緣，試樣受火于主燃燒器最初600 s內(nèi)的總熱釋放量THR600 s等于0.009 MJ，滿足現(xiàn)行電池艙防火的國標(biāo)要求[7]。

在電池艙門上設(shè)置防水格柵，并在艙門內(nèi)側(cè)敷設(shè)一層厚度為5 mm的隔熱防火材料。該隔熱防火材料采用活動式敷設(shè)方式，即在夏天能夠?qū)⑵淙サ?，通過格柵自然通風(fēng)散熱；在冬季又將隔熱防火材料重新敷設(shè)上，起到保溫隔熱作用。

2 保溫試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方法

將安裝上述保溫設(shè)計的動力鋰電池的某款10.5 m純電動城市客車放在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行低溫試驗(yàn)，觀察動力鋰電池的降溫速率，研究電池艙的保溫效果。具體試驗(yàn)方法如下：將環(huán)境艙從初始溫度為15 ℃時開始降溫，降溫速率為0.64 ℃/min。當(dāng)環(huán)境艙的溫度降低到-33 ℃時開始計時和記錄，在保溫的3 h中，每15 min記錄一次動力鋰電池的溫度變化。在保溫期間，環(huán)境艙的溫度始終維持在-33 ℃，偏差為±1 ℃。動力鋰電池的初始最高和最低溫度分別為14 ℃、12 ℃，環(huán)境艙剛好降到-33 ℃時動力鋰電池的最高和最低溫度分別為13 ℃、11 ℃。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

環(huán)境艙為-33 ℃條件下，3 h內(nèi)動力鋰電池的溫度記錄見表1。從中可以得出，在保溫的3 h內(nèi),動力鋰電池的最高溫度降低了6 ℃，最低溫度降低了4.5 ℃。因此，動力鋰電池的最大降溫速率為每小時降低2 ℃。采用在電池箱外面覆蓋15 mm絲綿被的傳統(tǒng)保溫方法，在上述同樣條件下進(jìn)行保溫試驗(yàn)，最大降溫速率為每小時降低3 ℃。

在實(shí)際工程中，如我國北方市場在冬季-30 ℃低溫條件下，電動客車在白天持續(xù)運(yùn)營14 h(早上6∶00至晚上20∶00運(yùn)營)，電動客車在持續(xù)使用過程中，由于放電產(chǎn)生熱量，因此動力鋰電池一般能夠維持在25 ℃左右的較高溫度，晚上停止運(yùn)營10 h。若不對車輛進(jìn)行充電，動力鋰電池的溫度會持續(xù)下降。如果車輛電池艙采用本文所述的保溫方法對電池進(jìn)行保溫，在10 h內(nèi)，電池的平均溫度約降低20 ℃，此時動力鋰電池溫度還有5 ℃左右。根據(jù)現(xiàn)有鋰電池的特性，能夠進(jìn)行正常的充電或放電，也就是能夠進(jìn)行正常的充電和行車。若晚上車輛在停止運(yùn)營時進(jìn)行充電，由于充電時會產(chǎn)生熱量，動力鋰電池降溫效果會受到部分抵消，其最終溫度會高于5 ℃，完全能夠滿足車輛正常使用。因此，該動力鋰電池的保溫方法是一種簡單、安全、有效的熱管理方法。

表1 環(huán)境艙為-33 ℃條件下，3 h內(nèi)動力鋰電池的溫度記錄表

3 結(jié)束語

動力鋰電池的低溫解決方案的措施較多，各有其優(yōu)、缺點(diǎn)，目前還處在不斷探索和優(yōu)化中。本文介紹的動力鋰電池的保溫方法，是一種簡單、安全、有效的動力鋰電池低溫解決方案，非常適合用于我國北方電動車市場。