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淺析機(jī)車動力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)的發(fā)展路線
2020-08-11 20:40:19· 來源：電動學(xué)堂
作者單位：中車資陽機(jī)車有限公司1 動力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)作用由于過高或過低的溫度都將直接影響動力電池的使用壽命和性能，并有可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)的安全問題;電池箱
作者單位：中車資陽機(jī)車有限公司
1 動力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)作用
由于過高或過低的溫度都將直接影響動力電池的使用壽命和性能，并有可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)的安全問題;電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體間性能的不均衡。因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對于電動車輛動力電池系統(tǒng)而言是必需的。
2 當(dāng)前汽車行業(yè)技術(shù)水平
隨著電動汽車行業(yè)的逐漸規(guī)范，動力電池?zé)峁芾矸绞揭苍絹碓娇茖W(xué)。目前主流電動/混合動力乘用車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為風(fēng)冷和液冷。
風(fēng)冷是以低溫空氣為介質(zhì)，利用熱的對流，降低電池溫度的一種散熱方式，分為自然冷卻和強(qiáng)制冷卻。該技術(shù)利用自然風(fēng)或風(fēng)機(jī)，配合汽車裝備的乘員艙空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一步為電池降溫，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)，如日產(chǎn)聆風(fēng)(NissanLeaf)、起亞SoulEV等。
這種方式需要將電池的熱負(fù)荷、乘員熱負(fù)荷以及車體傳熱同步考慮，不適合功率較大的車輛。據(jù)了解，目前的電動巴士、電動物流車中也廣泛采納空調(diào)風(fēng)冷冷卻方式，根據(jù)布置方式不同，有采用乘客艙空調(diào)系統(tǒng)來冷卻電池，也有獨(dú)立設(shè)置空調(diào)為電池冷卻的。圖1為通過乘員艙空調(diào)風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意。
液冷技術(shù)是通過液體對流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可以發(fā)揮液體介質(zhì)熱容量大、與固體壁面換熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)反應(yīng)速度快，對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著。液冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形式有液體直接接觸電池單體和非直接接觸電池單體兩種。直接接觸方式是將電池單體或模塊沉浸在不導(dǎo)電的工作液體中。
非直接接觸式是在電池模塊間設(shè)置冷卻通道，或在電池底部采用冷卻板，工作液體在這些流道中流動。液冷已是目前較多電動乘用車的優(yōu)選方案，國內(nèi)外的典型產(chǎn)品如特斯拉、通用沃藍(lán)達(dá)、吉利帝豪EV等。圖2為特斯拉電動汽車的冷卻方式示意。
除此之外還有少部分車型采用了制冷劑直冷的方式。例如BMWi3的部分車型直接將電池作為熱管理系統(tǒng)蒸發(fā)器的一部分，冷媒進(jìn)入蒸發(fā)器中直接帶走電池?zé)崃?。這種方式具有冷卻迅速，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)楣べ|(zhì)工作壓力大，集成在電池系統(tǒng)中的密封性要求較高所以運(yùn)用車型較少。
新能源汽車熱管理系統(tǒng)的效果少有廠家明確。
據(jù)資料顯示特斯拉使用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以將1塊電池組內(nèi)各單體電池的溫度差異控制在±2℃以內(nèi)，換言之，1個電池包內(nèi)的最大溫差小于4℃，整個電池系統(tǒng)溫差控制指標(biāo)沒有資料明確。國內(nèi)因《GB/T31485－2015電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》中對動力電池溫度控制沒有要求，新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制目標(biāo)廠家各有標(biāo)準(zhǔn)。從收集到的信息來看，一般目標(biāo)是控制在5℃～8℃，實(shí)際使用中溫差比目標(biāo)范圍普遍更大。
3 熱保障系統(tǒng)的基本分析
不管是風(fēng)冷還是水冷方案，熱保障系統(tǒng)的根本目的就是電池和冷卻介質(zhì)的熱交換。可知在熱量不變的情況下，冷卻介質(zhì)流量越大，帶走的熱量越多，其溫差越小;在流量一定的情況下需要帶走的熱量越小，溫差越小。對于動力電池系統(tǒng)來說，冷卻介質(zhì)流量越大，冷卻介質(zhì)流經(jīng)電池?cái)?shù)量越小，電池溫差控制越好，這也是我司動力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。
4 混動機(jī)車電池系統(tǒng)和新能源汽車電池系統(tǒng)的差異
混合動力機(jī)車與新能源汽車的動力電池有較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在動力電池規(guī)模和動力電池布置上。根據(jù)統(tǒng)計(jì)主流電動乘用車裝車電量為16～30kWh，比亞迪電動E6電動出租車電量58kWh，蔚來ES8計(jì)劃提供86kWh的車型。我公司混合動力機(jī)車裝車電量已經(jīng)形成250～1400kWh的多個等級?？梢娕c混合動力機(jī)車相比，新能源乘用車電池裝車容量小得多。
主流新能源汽車主要將動力電池設(shè)置在底盤或者后備箱內(nèi)，這也是前文所說利用乘員艙空調(diào)冷卻電池方式的成立前提。因?yàn)榧纫紤]冷卻效果，又要考慮車身隔音，所以車輛風(fēng)道設(shè)計(jì)依然困難重重;汽車底盤的位置較低，在不良路面行駛時(shí)存在磕碰的可能。同時(shí)道路環(huán)境相比機(jī)車鐵路環(huán)境更復(fù)雜，容易出現(xiàn)涉水行駛的情況，所以新能源汽車電池要求機(jī)械防護(hù)性能好。
混合動力機(jī)車動力電池可布置在機(jī)車主車架上也可以懸掛在主車架下，布置空間比新能源汽車規(guī)整，軌道運(yùn)用環(huán)境比汽車行駛路面簡單，所以在電池防護(hù)和熱管理系統(tǒng)的布置上會相對容易。例如空調(diào)風(fēng)冷機(jī)組可以很容易地布置在電池正上方，通過電池后再從四周回風(fēng)，與房間頂置空調(diào)無異。
5 技術(shù)路線發(fā)展
自第1臺混合動力機(jī)車出廠以來，我司在使用的過程中逐漸摸索了動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同機(jī)車上的適應(yīng)性問題。
我司第一代混合動力機(jī)車電池箱懸掛于主車架下，采用的熱管理系統(tǒng)為環(huán)境風(fēng)強(qiáng)迫冷設(shè)計(jì)。電池采用18650圓柱形磷酸鐵鋰電池，通過卡板組成均勻間隙的模組。每個電池箱配備1個冷卻風(fēng)扇。冷卻風(fēng)從電池的一側(cè)吸入，經(jīng)過電池模組后從電池箱另一側(cè)排出，示意圖見圖3。電池箱配備電加熱膜，可以在環(huán)境溫度時(shí)對電池單體進(jìn)行加熱?？梢钥闯鲈摕峁芾硐到y(tǒng)較為簡單，實(shí)際運(yùn)用中動力電池的發(fā)揮受環(huán)境溫度的影響很大。
我司第二代混合動力機(jī)車裝備了電壓1500V、最大電量1400kWh等級，有26650圓柱電芯為基礎(chǔ)的動力電池。動力電池自成1個艙室，在其頂部布置了大功率的空調(diào)系統(tǒng)作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的一部分。見圖4。采用空調(diào)風(fēng)冷的好處是在較高的環(huán)境溫度下也可使動力電池維持在適宜的工作溫度，同時(shí)自帶有除濕效果，可以保證動力電池室內(nèi)空氣較為干燥。同時(shí)空調(diào)也具有加熱功能，在環(huán)境溫度較低時(shí)可以保證動力電池快速升溫，機(jī)車運(yùn)用不受限制。該車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包含電池通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、空調(diào)機(jī)組和熱管理系統(tǒng)控制策略3部分。其中空調(diào)通風(fēng)結(jié)構(gòu)又包含電池包內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計(jì)和電池包外部風(fēng)道設(shè)計(jì)。為兼顧電池系統(tǒng)體積和通風(fēng)效果，電池包內(nèi)部采用非均勻流道設(shè)計(jì)，在總體尺寸較小的情況下達(dá)到了較好的通風(fēng)水平。通過CAE模擬分析和試驗(yàn)對比，基本達(dá)到預(yù)期效果。與第一代混合動力機(jī)車相比，機(jī)車動力電池對環(huán)境的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。
目前，我司也在開發(fā)用于混合動力機(jī)車的方形/軟包電池的集成方案，裝車性能參數(shù)與第二代混合動力機(jī)車類似。電池包集成液冷板，在冷卻液流量7L/min時(shí)，電池包各電池單體溫差控制在2℃以內(nèi)，液冷管路系統(tǒng)見圖5。
熱保障系統(tǒng)管路布局有兩種方式:①采用全并聯(lián)方式，每個并聯(lián)管路上均設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥，總管路上設(shè)有泄壓管路系統(tǒng)。②為每個支路串聯(lián)2個電池包再并聯(lián)的方式，同樣每個支路上也設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，總管路上設(shè)有泄壓管路系統(tǒng)。通過理論計(jì)算，這兩種管路布局均可以使各支路冷卻液流量差控制在5%以內(nèi)。目前正在籌備生產(chǎn)試驗(yàn)樣機(jī)，檢驗(yàn)實(shí)際效果。
除了設(shè)置主動熱管理系統(tǒng)，我公司也根據(jù)機(jī)車特定使用情況試制了無主動管理系統(tǒng)的純電動調(diào)車機(jī)車。機(jī)車電池包懸掛在車架下部，采用26650圓柱形電芯，電壓DC544V，電量250kWh。為適應(yīng)自然散熱，電池箱根據(jù)機(jī)車特征使用循環(huán)，電池采用自然散熱方式。為確保電池安全在控制系統(tǒng)中設(shè)置充電電流0.3C恒流轉(zhuǎn)恒壓，放電0.5C，短時(shí)(6min)放電1C。目前該機(jī)車使用良好，電池系統(tǒng)狀態(tài)正常。
6 結(jié)語
通過我司現(xiàn)有動力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)，混合動力機(jī)車電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)種類和性能應(yīng)根據(jù)機(jī)車使用特性和選用電池特性來確定。
1)動力電池自然冷卻或普通通風(fēng)冷卻方式適合運(yùn)用環(huán)境良好，且機(jī)車負(fù)荷循環(huán)較小的場合。
2)要保證電池在嚴(yán)酷環(huán)境、負(fù)荷循環(huán)較大時(shí)可用，則需要采用空調(diào)風(fēng)冷或空調(diào)(冷水機(jī)組)水冷的方式。因機(jī)車動力電池系統(tǒng)安裝方式比汽車簡單，這兩種方式均適合機(jī)車使用。
3)熱保障系統(tǒng)受電池包集成技術(shù)限制較大:如果需要外購?fù)暾姵匕?，則熱管理系統(tǒng)選型受供應(yīng)商限制;反之則可以自由選則熱保證系統(tǒng)。
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