纯电动汽车电池组热管理系统设计

2013-09-02吴泽民潘香英

汽车电器 2013年1期

吴泽民，潘香英，冯超

（东风汽车公司技术中心，湖北武汉 430058）

1 电池系统概述

电池系统作为纯电动汽车的核心部件，是电动汽车惟一的动力来源，直接影响到电动汽车的工作性能。电池系统主要由电池组和电池管理系统组成，锂离子电池因其优异的能量密度、功率输出特性和长寿命等优点，目前在纯电动汽车电池组中得到良好应用［1，2］。但锂离子电池的性能对温度变化较敏感，尤其是纯电动汽车上使用的大容量、高功率的锂离子电池。从目前行业水平来看，电池组的低温（-20℃）起动性能基本能够满足纯电动汽车的要求，但在高温或大倍率放电情况下使用时，电池组存在长时间处于高温环境、热量不能有效扩散的问题。由于纯电动汽车所需电池数量较多且装载空间有限，电池均需为紧密排列连接，当电动汽车在不同工况下行驶，电池组会以不同倍率放电，以不同生热速率产生大量热量，随着时间累积及空间影响会产生不均匀的热量聚集，从而导致电池组运行环境温度不均衡。尤其夏季高温天气，电池组所处的环境温度本身就很高，加之在复杂工况条件下运行，更容易导致电池组系统温度过高和温度分布不均衡。如果整个电池组在高温下得不到及时的通风散热，过高的工作温度和过大的温度差异得不到缓解，将降低电池系统充放电循环寿命，影响电池的功率和能量发挥，严重时还会造成热失控，最终影响电池组的安全性和可靠性［3～8］。

为了提高电池组在高温环境下的循环寿命和安全性，本文采用几种方式优化电池组结构，设计电池组热管理系统。

2 电池热管理系统的设计

2.1 电池系统的隔热设计

针对夏季高温天气，由于长时间高温热辐射，热量进入到电池箱内部，导致电池组温度过高，加上车辆行驶时电池本身发热，容易使电池组始终处于高温工作状态。

隔热设计采用在电池箱内壁贴一层隔热膜后，再将电池组安装在电池框内。设计思路:在夏季高温环境下减少热辐射进入电池箱内部，降低电池组温度受外部高温环境的影响。带隔热设计的电池系统结构见图1。

经过初步筛选，采用两种不同的隔热材料A、B进行性能验证。试验步骤如下:先将准备好的2个电池箱体内分别贴一层隔热材料A和B，再将电池组安装在电池箱内，在电池组上布置2个温度传感器，然后将2个箱体放到高温箱中进行试验。

为获得更好的试验效果，将高温箱温度升到65℃进行两种材料的隔热效果验证。试验结果如图2所示。

由图2可知，采用隔热材料B，经过7 h电池表面温度与高温箱内温度平衡，隔热材料A的箱体在5h之内，电池表面温度就与高温箱内温度相同了，因此材料B的隔热效果优于材料A，后续的设计选用材料B进行隔热设计。

为验证隔热材料是否会增加行驶中电池组的温升，本文按表1规定的工况，模拟电动汽车行驶过程中带隔热材料和不带隔热材料的电池组温度变化，结果如图3所示。

表1 模拟电动汽车行驶工况

由图3对比可以看出，电池组在设计隔热膜前和设计隔热膜后，在相同工况且初始温度接近的条件下，电池组的平均温升接近，都升高了12℃左右，表明在电动汽车行驶中，隔热设计未明显增加电池组的温升。

2.2 电池系统的空调压缩机散热设计

针对电动汽车在行驶过程中电池组发热量较大的问题，采用空调压缩机散热设计的方式:在电池箱内部安装空调压缩机制冷单元，压缩机制冷后通过蒸发器采用强制对流，将冷气送向电池箱内。压缩机采用风机散热，外部冷凝器同样采用风机散热。压缩机由感温部分、温度设定主体部分、执行开闭的微动开关3部分组成，为可调型温控器。通过密闭的内充感温工质的温包和毛细管，把被控温度的变化转变为密闭空间压力或容积的变化，当温度高于设定值时，通过弹性元件和快速瞬动机构，自动开启触头，以达到自动控制散热降温的目的。带空调压缩机散热设计的电池系统结构见图4。

按图4的电池系统结构，在电池组内均匀布置6个温度传感器，对散热效果进行验证。试验步骤如下:将装有压缩机散热设计的电池箱放到高温箱中，调节温控设备升温至50℃后保持恒温；当电池组内温度传感器达到与高温箱环境温度相同时，启动空调压缩机散热装置。记录整个过程温度变化，结果如图5所示。

从图5中可以看出，空调压缩机对电池组的散热有明显的效果，但电池组内部温度均衡性较差，温度传感器6位置温度与其他各处温差在6℃以上，而且安装此装置成本较高，耗能较大，需占有电池箱内部较大空间，降低了电池系统的能量密度。

2.3 电池系统的半导体散热设计

同样针对电动汽车在行驶过程中电池组发热量较大，采用带半导体散热片的风扇进行电池系统的散热设计。

在电池箱上安装带半导体风扇的散热系统，散热系统的制冷面放在电池箱内，制热面放在电池箱外，电池组之间留有一定空间作为风道。散热系统内部设有温度控制系统。当温度检测系统采集到的温度高于设定值时，散热系统的半导体制冷片会开启进行降温处理。当温度降低到设定值以下，散热系统停止工作，以保证电池组运行在适宜的温度范围。带半导体散热设计的电池系统结构如图6所示。

按图6所示的电池系统结构，在电池组内部均匀布置6个温度传感器，对散热效果进行验证。试验步骤如下:将电池箱放入高温箱中，调节温控设置升温至50℃后保持恒温；当电池组内温度传感器检测到温度达到50℃时，开启散热系统。记录整个过程温度变化，结果如图7所示。

从图7中可以看出，当电池组温度达到高温箱内环境温度时，开启散热系统，电池组温度略有降低，但随着时间加长，电池组温度又逐渐升高，几乎恢复到之前的温度水平，说明此散热设计效果不明显，在长期高温环境下，不能起到良好的散热作用。