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淺析機(jī)車(chē)動(dòng)力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)的發(fā)展路線(xiàn)
2020-08-11 20:40:19· 來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂
作者單位：中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司1 動(dòng)力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)作用由于過(guò)高或過(guò)低的溫度都將直接影響動(dòng)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(wèn)題;電池箱
作者單位：中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司
1 動(dòng)力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)作用
由于過(guò)高或過(guò)低的溫度都將直接影響動(dòng)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(wèn)題;電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的長(zhǎng)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(duì)于電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力電池系統(tǒng)而言是必需的。
2 當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)技術(shù)水平
隨著電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的逐漸規(guī)范，動(dòng)力電池?zé)峁芾矸绞揭苍絹?lái)越科學(xué)。目前主流電動(dòng)/混合動(dòng)力乘用車(chē)動(dòng)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(duì)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(chē)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(jiǎn)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(chē)體傳熱同步考慮，不適合功率較大的車(chē)輛。據(jù)了解，目前的電動(dòng)巴士、電動(dòng)物流車(chē)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(lái)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(guò)乘員艙空調(diào)風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意。
液冷技術(shù)是通過(guò)液體對(duì)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(duì)降低最高溫度、提升電池組溫度場(chǎng)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(dòng)。液冷已是目前較多電動(dòng)乘用車(chē)的優(yōu)選方案，國(guó)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(dòng)汽車(chē)的冷卻方式示意。
除此之外還有少部分車(chē)型采用了制冷劑直冷的方式。例如BMWi3的部分車(chē)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)崃俊＿@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(chē)型較少。
新能源汽車(chē)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?xún)?nèi)，換言之，1個(gè)電池包內(nèi)的最大溫差小于4℃，整個(gè)電池系統(tǒng)溫差控制指標(biāo)沒(méi)有資料明確。國(guó)內(nèi)因《GB/T31485－2015電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》中對(duì)動(dòng)力電池溫度控制沒(méi)有要求，新能源汽車(chē)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(lái)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(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(dòng)力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。
4 混動(dòng)機(jī)車(chē)電池系統(tǒng)和新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的差異
混合動(dòng)力機(jī)車(chē)與新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池有較大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在動(dòng)力電池規(guī)模和動(dòng)力電池布置上。根據(jù)統(tǒng)計(jì)主流電動(dòng)乘用車(chē)裝車(chē)電量為16～30kWh，比亞迪電動(dòng)E6電動(dòng)出租車(chē)電量58kWh，蔚來(lái)ES8計(jì)劃提供86kWh的車(chē)型。我公司混合動(dòng)力機(jī)車(chē)裝車(chē)電量已經(jīng)形成250～1400kWh的多個(gè)等級(jí)。可見(jiàn)與混合動(dòng)力機(jī)車(chē)相比，新能源乘用車(chē)電池裝車(chē)容量小得多。
主流新能源汽車(chē)主要將動(dòng)力電池設(shè)置在底盤(pán)或者后備箱內(nèi)，這也是前文所說(shuō)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(chē)身隔音，所以車(chē)輛風(fēng)道設(shè)計(jì)依然困難重重;汽車(chē)底盤(pán)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(chē)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(chē)電池要求機(jī)械防護(hù)性能好。
混合動(dòng)力機(jī)車(chē)動(dòng)力電池可布置在機(jī)車(chē)主車(chē)架上也可以懸掛在主車(chē)架下，布置空間比新能源汽車(chē)規(guī)整，軌道運(yùn)用環(huán)境比汽車(chē)行駛路面簡(jiǎn)單，所以在電池防護(hù)和熱管理系統(tǒng)的布置上會(huì)相對(duì)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(guò)電池后再?gòu)乃闹芑仫L(fēng)，與房間頂置空調(diào)無(wú)異。
5 技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展
自第1臺(tái)混合動(dòng)力機(jī)車(chē)出廠以來(lái)，我司在使用的過(guò)程中逐漸摸索了動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同機(jī)車(chē)上的適應(yīng)性問(wèn)題。
我司第一代混合動(dòng)力機(jī)車(chē)電池箱懸掛于主車(chē)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(guò)卡板組成均勻間隙的模組。每個(gè)電池箱配備1個(gè)冷卻風(fēng)扇。冷卻風(fēng)從電池的一側(cè)吸入，經(jīng)過(guò)電池模組后從電池箱另一側(cè)排出，示意圖見(jiàn)圖3。電池箱配備電加熱膜，可以在環(huán)境溫度時(shí)對(duì)電池單體進(jìn)行加熱?？梢钥闯鲈摕峁芾硐到y(tǒng)較為簡(jiǎn)單，實(shí)際運(yùn)用中動(dòng)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(dòng)力機(jī)車(chē)裝備了電壓1500V、最大電量1400kWh等級(jí)，有26650圓柱電芯為基礎(chǔ)的動(dòng)力電池。動(dòng)力電池自成1個(gè)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(jiàn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池快速升溫，機(jī)車(chē)運(yùn)用不受限制。該車(chē)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(guò)CAE模擬分析和試驗(yàn)對(duì)比，基本達(dá)到預(yù)期效果。與第一代混合動(dòng)力機(jī)車(chē)相比，機(jī)車(chē)動(dòng)力電池對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。
目前，我司也在開(kāi)發(fā)用于混合動(dòng)力機(jī)車(chē)的方形/軟包電池的集成方案，裝車(chē)性能參數(shù)與第二代混合動(dòng)力機(jī)車(chē)類(lèi)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?xún)?nèi)，液冷管路系統(tǒng)見(jiàn)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(gè)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(gè)支路串聯(lián)2個(gè)電池包再并聯(lián)的方式，同樣每個(gè)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(guò)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?xún)?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(dòng)熱管理系統(tǒng)，我公司也根據(jù)機(jī)車(chē)特定使用情況試制了無(wú)主動(dòng)管理系統(tǒng)的純電動(dòng)調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)。機(jī)車(chē)電池包懸掛在車(chē)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(chē)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(chē)使用良好，電池系統(tǒng)狀態(tài)正常。
6 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)我司現(xiàn)有動(dòng)力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)，混合動(dòng)力機(jī)車(chē)電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)種類(lèi)和性能應(yīng)根據(jù)機(jī)車(chē)使用特性和選用電池特性來(lái)確定。
1)動(dòng)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(chē)負(fù)荷循環(huán)較小的場(chǎng)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(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)安裝方式比汽車(chē)簡(jiǎn)單，這兩種方式均適合機(jī)車(chē)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(gòu)?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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