新型车用电池系统的设计与研究

李 骏，邓海龙，刘霏霏，龚思惠，李 梅

（华东交通大学 机电与车辆工程学院，南昌 330013）

0 引言

动力电池作为电动汽车的关键部件，其性能是制约电动汽车发展的主要因素。近年来，锂离子动力电池因其高比能量、环保、无记忆特性等优点被广泛关注，逐渐成为电动汽车的主流电源。但在锂离子动力电池高倍率充放电过程中，内部化学反应复杂，并伴随释放较多的热量，如果不能及时散热，热量将在电池内部快速聚积，使电池温度升高，导致电池使用寿命缩短，甚至降低其安全性能。此外，在实际应用中，动力电池通常以电池组串并联的形式出现，因此各电池单体产生的热量更容易在电池组内聚集。同时，各电池单体之间的温度差异将会导致各动力电池充放电量出现差异。放电时，低容量电池将会提前到达截止电压；充电时，电池容易过充。经过多次充放电循环后，各电池单体之间差异会越来越大，造成恶性循环，大大降低电池组的使用寿命。因此，为延长动力电池使用寿命，降低电动汽车整车成本并提高整车热安全性能，高效的锂离子电池散热系统是动力电池结构必备的配置。另外，锂离子动力电池的性能对温度变化较为敏感，其最佳工作温度范围在25℃～40℃区间[1]。在低温环境下，电池放电性能下降严重，无法高效工作，因而在低温情况下需对电池包进行预热。综上，为使电池发挥出最佳性能，延长电池使用寿命，需优化电池包结构，设计研发一套高效的散/预热系统。

由于汽车保有量巨大，交通状况复杂，道路交通安全问题日趋严重。对于电动汽车，其动力组成有别于传统燃油汽车，电动汽车碰撞安全性不仅须满足传统燃油汽车的碰撞防护要求，还需重点考虑其在碰撞过程中所特有的安全问题。例如，动力电池在碰撞过程中，电池电解液容易泄漏，各电池单元相互挤压易造成高压短路，甚至引发火灾、爆炸等现象。因此，在优化电池包结构的同时，要求电池包结构能够满足电池单元的完整性和安全性能。在研究电池包结构问题上，汽车轻量化可提升电动汽车的续航里程，故还需考虑电池包的结构轻量化设计。

1 设计现状分析

现有的电池散热系统主要采用强制风冷、液冷以及相变材料等进行散热[2]。强制风冷的散热原理主要是依靠空气在锂电池箱内流动，将锂电池产生的热量散发到外界环境中，这种散热方式有着造价低、易实现的优点。但由于该方式所用的工作介质为空气，其对流换热系数低，导致散热效果不理想。另外，强制风冷容易导致电池包内局部温度不均，进风口附近温度往往较低，而出风口温度则相对较高。液冷的散热原理是用液体代替空气进行散热，其散热效果相对风冷有所改善，但由于液体与电池组直接或间接接触，存在因液体泄漏而造成电池短路的风险，严重降低电池的使用安全性能。使用相变材料进行散热的原理主要利用相变材料相变时需要吸收大量潜热而自身温度却保持不变的特点，最终吸收电池产生的热量，当相变材料完全融化后其温度将保持在融点温度不变。由于相变材料传热系数小、热稳定性差，因此，相变过程的可控性较差。针对电池包预热系统，考虑到成本、质量以及空间布置的因素，如何选择加热热源以及提高加热效率已成为目前电池包设计亟待解决的问题之一。针对电池包避撞防护的相关设计和研究不多，主流电动汽车的电池包结构和车架结构往往采用独立设计，而成艾国[3]等人提出了一种用于电池包分布式安装的电动汽车车架，这种结构能在电动汽车电池包结构碰撞安全性和轻量化等方面能取得较好的平衡，但由于采用一体化设计，该结构影响了整体车型设计，需要大幅度调整改进现有汽车成熟的设计制造工艺，致使成本相对较高，进而影响其市场推广。

2 设计要求

2.1 碰撞安全性能要求

电动汽车发生碰撞时，车用电池包应满足以下要求：1）发生碰撞时，应避免电池模块或单体由于碰撞而从电池箱体中散落。2）发生碰撞时，应保证电池箱有足够的强度以避免电池箱内部电池、电气元件等受挤压而造成短路现象。

2.2 通风散热性能要求

车用电池长时间运行尤其汽车在持续的大负载高速行驶时，电池组在放电时会产生大量的热能，在汽车快速充电的情况下，电池组也会产生大量热能。为保障电池使用寿命和电池安全，电池包的设计具备以下要求[4]：1）在箱体内空间允许的前提下，电池模块之间应留有适当的空隙，以满足电池结构热膨胀和散热的需要。2）根据电池放热特性和电池箱体容量大小匹配散热风流量，同时应具有足够的安全系数。3）通过电池箱体内部的结构设置以使每个单体电池能够充分散热，电池箱体温度应控制在锂离子动力电池最佳工作温度区间，且应均匀散热，电池箱体内温差不大于5℃。

2.3 预热性能要求

由于电池单元内部的化学反应受温度影响较大，在温度较低的情况下会导致电池内部正常化学反应受到影响，此时需对电池包进行预热，应满足以下要求：合理考虑成本、质量、空间的布置问题，设置安全可靠的预热装置，使电动汽车动力电池包在寒冷环境下能够正常启动，且不影响电池的工作性能。

2.4 绝缘与防水性要求

电动汽车动力电池输出的电压较高，电压一般超过200伏。因此，动力电池包应有效隔绝人与电池的直接接触。同时，电池箱体须进行密封，防止由于水渗透而导致电池短路现象的发生，需满足以下要求[5]：1）电池两极连接板与电池包箱壁的最小距离应大于10mm，以防止击穿放电。2）电池包应整体电泳喷涂，内部加装绝缘板或涂覆绝缘漆。3）电池包体的焊缝处须涂加密封胶，箱体顶盖与下箱体配合处需添加密封材料，接插件固定部位应采取相应密封措施。4）在电池包布置安装时应避免与底盘部件和车身干涉，箱体最低点应不小于整车的最小离地间隙，以保障不同路况下整车的通过性能。5）电池包接插件安装孔和进出风口应布置在电池箱体的二分之一高度位置。

3 系统总体设计

考虑动力电池是纯电动汽车唯一的动力源，其性能是影响电动汽车续航里程的首要因素[6]。动力电池在充放电过程中会产生大量的热量，使电池温度快速上升，且电池组内部温度分布不均，若不能及时散热，最终将降低电池充放电效率，不仅影响到了电池使用性能，而且关乎到汽车安全问题。由于电池内部的电化学反应受温度影响较大，其在某个温度范围工作性能最佳，温度过高或过低都会导致电池无法正常高效工作。另一方面，若电动汽车发生交通事故，动力电池中的电池单元容易相互挤压造成电池破坏甚至引起自燃高危现象。因此，为使车用动力电池包既能发挥最佳性能、又能保障电池的安全性能进而延长电池使用寿命，需对电池包增加高效的散/预热系统及安全防撞系统。

由相关文献可知，锂电池的最佳工作温度范围为25℃～40℃，本电动汽车散/预热及安全防撞系统即能保障电池箱体在该最佳工作温度范围内工作。本系统能控制电池箱体内的实时温度，当电池温度超过其最佳工作温度范围时实现分级散热。当环境温度较低时能对电池包进行预热，以保证电池在最佳工作温度范围正常起动并高效工作。当电动汽车发生交通事故时，本系统能避免电池包内部结构不受挤压变形而导致电池短路甚至引发汽车自燃。

电动汽车散/预热及安全防撞装置主要由散热系统、预热系统和避撞防护系统组成，旨在实现车用电池包的散/预热及安全防护功能，具体由蜂窝梁结构、弹簧阻尼器、泡沫铝箱、热管、热管、相变材料、风扇、加热元件、备用充电电池、传感器等组成，装置外观如图1所示，其系统组成如图2所示。

图1 新型车用电池箱

图2 车用电池箱系统结构

为更好实现散热功能，装置采用泡沫铝材料作为电池包箱体材料。所用泡沫铝是一种低密度的多孔介质，是在纯铝或铝合金中加入添加剂后经发泡工艺而成，具有金属和气泡特征，同时兼有高强度、耐高温、抗腐蚀等优点。逯彦红[7]等人的研究证明了泡沫铝能加强散热效果的作用。车用电池箱体内部设有电池单元的安装孔和线路槽以及放置相变材料的通道。另外，箱体内设有小孔安装温度传感器以实时感知箱体内温度，箱体横向侧壁开有便于插入热管的孔槽。

因此，除了采用泡沫铝结构加强散热性能外，还采用了相变材料及热管进行散热。利用相变材料相变吸能原理以吸收电池工作产生的热量，同时加装风扇对电池进行风冷。由于选用的热管为接触面积较大的片状结构，因而散热效果良好。安装热管时不与电池单元直接接触，以避免电池单元电液泄漏引发其他不良后果。

由于温度过高会严重影响到车用电池性能，为解决此问题，本系统需对车用电池包进行分级散热。当温度高于30℃且低于40℃时，利用泡沫铝箱和相变材料的吸能作用进行一级散热；当温度高于40℃且低于50℃时，在一级散热基础上再开启风扇进行二级散热；当温度高于50℃时，在二级散热基础上再启用热管进行三级散热，此时，通过定位槽滑动将热管插入到电池箱热管槽中，以实现相变高效散热。

为实现电池包安全防护功能，在箱体纵向的前后方分别对称安装弹簧阻尼器以及蜂窝梁进行吸能隔振。其中，泡沫铝箱具有双重作用，不仅能加强散热效果，还利用其高强度性能用于抵抗形变冲击[8]。当汽车发生碰撞时，弹簧起到缓冲作用，阻尼器因阻尼特性能减缓机械振动和吸收动能，即阻尼吸能。蜂窝梁是三向异性多孔材料结构，具有高强度密度比，每个六边形孔与相邻六边形孔的共享边是由两层铝箔胶结构成[9]。沿着六边形孔的方向设定为T方向，在与T方向垂直的矩形平面长边平行的方向为L方向，与矩形平面短边平行的方向为W方向。由材料力学知识可知，蜂窝梁T方向上的强度通常比L方向和W方向的强度大得多，故将蜂窝梁按T方向纵向布置。当汽车发生碰撞后，蜂窝梁则有足够的强度抵抗冲击，冲击较大时通过蜂窝梁结构压溃式变形吸收能量以达到防撞吸能的效果。在电动汽车运行过程中，由于路面颠簸或汽车发生碰撞等状况的出现都会使汽车产生一定的振动，若振动剧烈或持续振动过长，电池单元线路接头会被震松造成线路接触不良，组合采用缓冲弹簧和阻尼器能很好地起到隔振的效果。

为实现电池箱系统的预热功能，利用加热元件对热管进行预热，随即热管将热量传递至电池单体。即当温度过低时，启动加热元件对热管进行预热，利用热管的良好传热性能，将热量传导至电池单体，达到对电池单体进行预热的目的，保证电池单元的高效运行。

4 创新应用

1）本装置在传统电池壳体的基础上通过蜂窝梁溃压式形变以吸收外力冲击能量，再利用弹簧阻尼器对电池包外部进行隔振吸能，可提高电池包的防撞等级，同时可避免因振动损坏电池包的内部结构。

2）本装置采用泡沫铝作为电池包壳体材料，与普通的钢/铁壳体相比，既可以加强散热效果，又可以提高电池包结构强度，同时有利于电池包体的轻量化设计。

3）本装置通过控制热管、相变腔体和风扇实现三级散热功能。与传统的电池散热方式相比，利用热管相变高效传热，可提高电池散热效率，最大限度地使电池包在最佳温度范围内工作。同时，热管的独立安装可提高装置的防护性能。

4）本装置充分利用热管的双向传热特性实现在低温环境下对动力电池包进行预热，既可提高加热效率，又减少由普通纯电能加热系统引起的电路故障问题，保障了动力电池的正常启动和运行。

5 结论

针对目前电动汽车动力电池包产品现状问题，本文设计了一种车用电池散/预热及安全防护装置。该装置不仅可解决电动汽车运行过程中因电池温度过高或环境温度过低引起的电池无法高效充放电问题，同时也解决了电动汽车发生交通碰撞等特殊情况时无法保证电池单元完整性和安全性的技术难点。该装置利用泡沫铝材料、热管、风扇、相变材料等实现散热功能，同时可实时监控电池箱体温度，且可针对电池在不同温度区间进行分级散热，以最大限度使动力电池在最佳温度范围内工作；利用热管和加热元件实现预热功能；利用蜂窝梁和弹簧阻尼器隔振吸能原理对电池包进行防撞保护。本装置结构简单，成本低廉，具有广泛的市场应用前景。