來(lái)源 | 中國(guó)恒天江西凱馬百路佳客車(chē)有限公司

作為電動(dòng)客車(chē)重要組成部分的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)刻扮演著電池保姆,的角色，保證動(dòng)力電池使用性能、安全性和壽命。本文根據(jù)實(shí)際的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從動(dòng)力電池?zé)峁芾硪豪溲h(huán)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、總流阻計(jì)算、水泵的選型、排氣設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行綜合闡述。1 液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)介紹電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的作用是保障電池在使用過(guò)程中一直處于最佳的溫度區(qū)間。鋰離子電池的最佳工作溫度范圍是20~40°C，超出該范圍會(huì)導(dǎo)致電池的性能?chē)?yán)重下降，甚至引發(fā)安全事故。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)充電加熱和制冷、行車(chē)加熱和制冷、駐車(chē)加熱和制冷、故障診斷與保護(hù)、電池系統(tǒng)熱失控保護(hù)等功能。采用液冷式電池?zé)峁芾矸绞骄哂袑?dǎo)熱系數(shù)高、冷卻速度較快、能產(chǎn)生較好的散熱效果等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的外部冷卻機(jī)組可分為集成式和獨(dú)立式。1)集成式是在乘員空調(diào)系統(tǒng)上并聯(lián)板式換熱器，將從冷凝器出來(lái)的制冷劑分成兩路，一路經(jīng)主膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器，冷卻車(chē)內(nèi)空氣;另一路經(jīng)副膨脹閥進(jìn)入板換后冷卻電池冷卻液;最后匯合回到壓縮機(jī)形成制冷劑循環(huán)。原理如圖1所示。

2)獨(dú)立式是單獨(dú)的電池制冷機(jī)組，包含制冷系統(tǒng)（壓縮機(jī)、冷凝器、板換)和冷卻液的循環(huán)系統(tǒng)部件（膨脹水箱、水泵、排氣管等)，根據(jù)需要可以增加PTC加熱功能。原理如圖2所示。

目前獨(dú)立液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在整車(chē)布置可以分為頂置式和內(nèi)置式兩種。頂置式的優(yōu)點(diǎn)是裝配空間大，管路彎曲少，流經(jīng)各個(gè)電池箱水流量的一致性好，有利于將電池溫差控制在要求的范圍內(nèi)。缺點(diǎn)是增加了頂蓋骨架和側(cè)圍骨架的負(fù)荷，對(duì)車(chē)身骨架強(qiáng)度要求更高；提高了整車(chē)的重心，對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性有一定影響[7-8]。內(nèi)置式的優(yōu)點(diǎn)是車(chē)輛外形美觀，不影響空調(diào)頂機(jī)和天窗的布置等。缺點(diǎn)是水路需要穿過(guò)底架，不可避免地會(huì)造成冷卻水管路高度不一致，產(chǎn)生額外的阻力和降低經(jīng)各個(gè)電池箱水流量的一致性，如布置不當(dāng)非常容易造成電池溫差。2 電池液冷循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)電池?cái)?shù)量越多其冷卻循環(huán)的管路連接越復(fù)雜，對(duì)于多組電池的冷卻，為了減小不同電池內(nèi)部溫差，流經(jīng)電池箱的水路要盡量采用并聯(lián)方式，且單一支路最多不超過(guò)3箱電池[10]。同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)各部件的流阻與水泵的流量特性曲線(xiàn)進(jìn)行匹配，確定各管路是否滿(mǎn)足流量要求。如某8m純電客車(chē)，配6個(gè)電池箱，可以有兩種管路連接方式：方式1分2個(gè)并聯(lián)支路，每個(gè)并聯(lián)支路串聯(lián)3箱電池；方式2分3個(gè)并聯(lián)支路，每個(gè)并聯(lián)支路串聯(lián)2箱電池。當(dāng)每個(gè)電池組并聯(lián)支路流量要求為10L/min時(shí)，方式1的總流量要求為20L/min，方式2的總流量為30L/min。2.2 總流阻計(jì)算電池液冷系統(tǒng)總流阻主要包括：(1)電池流阻，即電池內(nèi)部冷卻液流通管道的流阻；(2)板換流阻，即板式換熱器內(nèi)部管道的流阻；＠管路流阻，即電池液冷系統(tǒng)中所有管路中的流阻。簡(jiǎn)單的管路流阻為沿程損失hf和局部損失hm之和，可按式(1)計(jì)算：

式中：l為管長(zhǎng)；d為管內(nèi)徑；v為斷面平均速度；g為重力加速度；入為沿程阻力系數(shù)，對(duì)光滑金屬管取入=75IRe，對(duì)橡膠管取入=80IRe；r為局部阻力系數(shù)，只有少數(shù)情況可以根據(jù)理論推導(dǎo)出，大多數(shù)情況根據(jù)試驗(yàn)獲得。某8m車(chē)型電池液冷系統(tǒng)的兩種連接方式的總流阻見(jiàn)表1。其中：?jiǎn)蜗潆姵亓髯韪鶕?jù)廠家提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為30kPa；板換流阻根據(jù)廠家提供的實(shí)測(cè)數(shù)為在流量20L/min時(shí)是12kPa，在流量30L/min時(shí)是24kPa；管路流阻是根據(jù)試驗(yàn)獲得，在流量20L/min時(shí)是43kPa，在流量30L/min時(shí)是54kPa。

2.3 水泵選型水泵選型需要根據(jù)循環(huán)系統(tǒng)的流量要求，確定水泵在該流量下的揚(yáng)程是否大于系統(tǒng)的總流阻。如某款額定功率180W的無(wú)刷水泵，其流量與揚(yáng)程關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示，流量為20L/min時(shí)揚(yáng)程為17m(166.6kPa)，大于計(jì)算的系統(tǒng)總流阻145kPa；流量在30L/min時(shí)揚(yáng)程為15m(147kPa)，大于計(jì)算的系統(tǒng)總流阻138kPa，所以該水泵滿(mǎn)足流量要求。

3 電池液冷循環(huán)系統(tǒng)排氣設(shè)計(jì)電池液冷循環(huán)系統(tǒng)必須合理設(shè)計(jì)排氣，才能保證系統(tǒng)加注和運(yùn)行時(shí)空氣能有效地排出。常用的排氣設(shè)計(jì)有圖4中的兩種方式。方式1是在高于系統(tǒng)最高液面位置處布置膨脹水箱，并在管路高處和水泵入口前布置排氣罐連接到膨脹水箱。方式2是在高于系統(tǒng)最高液面位置處布置膨脹水箱，并將其串聯(lián)到循環(huán)系統(tǒng)中，水箱出口連接水泵入口。

對(duì)比兩種排氣設(shè)計(jì)方式，方式2不用單獨(dú)布置排氣罐，連接簡(jiǎn)單，排氣效果好。但該方式因膨脹水箱參與冷卻循環(huán)，水箱表面需做好保溫處理，防止與外界空氣進(jìn)行熱傳遞。4 結(jié)束語(yǔ)在電池?zé)峁芾硪豪溲h(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)不同電池組管路連接方式進(jìn)行匹配計(jì)算，在滿(mǎn)足流量要求時(shí)，優(yōu)先采用多并聯(lián)少串聯(lián)的連接方式，使電池組間的溫差更小、流量更均勻；其次合理設(shè)計(jì)排氣方式，保證系統(tǒng)加注和正常運(yùn)行，并對(duì)參與循環(huán)的各部件進(jìn)行保溫處理。