纯电动客车动力锂电池的热管理设计

2018-08-23杨正兴

客车技术与研究 2018年4期

刘超，杨正兴

(安徽安凯汽车股份有限公司，合肥 230051)

磷酸铁锂动力电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点［1－2］，因此在电动汽车中被广泛应用［3－5］。但该类电池的低温充电性能不好，温度降低时电池内阻加大，电化学反应速度放慢，极化内阻迅速增加，电池放电容量和放电平台下降，影响电池功率和能量的输出［6］。如在－20℃时用0.3 C充电，充电容量只有25℃ 时最大充电量的70%［7］。同时，在低温下充电，正极锂脱出快，负极锂向内部的嵌入速度慢，就会造成锂金属在电极表面积累生成枝晶，使电池短路，带来极大的安全隐患。这极大限制了纯电动汽车在冬季的正常使用。因此在现有锂电池的技术条件下，还需要考虑锂电池的保温和加热措施，确保其应有的使用电量，同时还要考虑夏天动力电池的散热问题。本文设计出了动力锂电池的保温、加热和通风系统，并将该系统批量应用在纯电动客车上，取得了良好效果。

1 动力锂电池的保温系统

从轴荷分配和装配空间考虑，动力锂电池组一般都布置在前后桥之间中段两边的舱内，每个电池箱设有独立的舱门，方便维修［8］。图1为布置位置示意图。

图1 动力电池安装位置示意图

由于每个动力锂电池组都是安装在一个独立的相对密闭的舱内，因此对电池舱及电池箱本身做好保温设计，即可有效地对动力电池组进行保温。以下为两项措施:

1)动力电池箱的保温设计。采用在箱体内壁贴附一层保温棉的措施。保温棉具有柔软、抗压能力强、防水等特性，具有超低的热传导率，材质一般为无定型二氧化硅隔热材料、气凝胶隔热材料或是新型高温陶瓷纤维材料等。当动力锂电池正常工作产生热量时，由于箱体内壁的保温棉的绝热功能，可以在一定程度上延缓电池组产生的热量向箱外扩散，起到动力锂电池的第一层保温作用。

2)动力电池舱的保温设计。在动力电池舱内上表面、前后立面以及电池舱舱门内壁贴附一层保温棉。当上述第1)条措施不能完全隔离正常工作产生的热量时，电池舱内上表面、前后立面以及电池舱舱门内壁上的保温棉可以进一步延缓电池组的热量向电池舱外扩散，保证电池舱内的温度最优化，起到动力锂电池的第二层保温作用。

2 动力锂电池的加热系统

动力电池的加热系统包含电池模组加热器件、外部加热高压盒以及加热控制模式，通过整体的加热系统设计实现动力电池的多功能加热模式，保证电池组在低温下的合理使用。

2.1 电池组间添加加热膜或PTC

利用热传导原理，在动力电池箱内充分利用箱体空间，在箱体内的每两排模组中间采用添加加热器件的设计。一般常用的加热器件为加热膜或PTC方式。当加热膜或PTC通电工作时会产生热量，并通过接触传导给电池模组。起到给动力锂电池加热升温的作用，加热膜或PTC在电池模组的位置如图2所示。一般加热膜在模组立面中间，PTC在模组底部。

图2 电池箱内加热膜或者PTC安装

2.2 加热高压盒及加热控制模式

除了上述电池箱内加热器件的设计外，还需要其外部的高压以及低压电器设计以组成电池高压盒总成件，起到总体协调电池组充放电控制、加热控制等作用。电池高压盒的外部接口一般包括电池正负、放电正负、充电正负、加热进出、整车通讯、充电通讯、内部通讯、调试口以及快速熔断开关。上述电池高压盒的功能可实现利用充电桩加热、整车静止启动前的自加热以及行车加热等3种方式对动力电池进行加热。其高压回路连接原理如图3所示。

1)利用充电桩加热。当整车动力电池组需要充电时，BMS主控制板首先检测当时的电池组温度是否在0℃以上，如果是，则闭合充电正极、充电负极、充电加热负极，断开充电加热正极，进入充电模式给电池组正常充电;如果不是，则闭合充电加热正极、充电负极、充电加热负极，断开充电正极，进入加热模式给电池组加热，等电池组的温度达到0℃以上后，再断开充电加热正极，闭合充电正极切入到充电模式。

图3 高压回路连接原理示意图

2)整车静止启动前的自加热。冬季寒冷地区，整车由于长时间停放导致电池组的温度接近于环境温度，这时电池组的放电功率一般都会被BMS主控制板控制，允许其输出比较小的放电功率，不能满足整车的正常使用。此时就可以闭合自加热/行车加热正极和总负极，进入自加热模式，即电池组自己输出电流给加热器件供电，等电池组达到合适的温度后再断开自加热/行车加热正极即可。

3)行车加热。冬季寒冷地区，整车使用过程中，如果出现电池组的温度偏低的情况，也会影响电池组的放电输出功率大小，这时就可以在已经闭合总负极的前提下再闭合自加热/行车加热正极，进入行车加热模式，即电池组在输出电流给整车高压负载使用的同时，再给加热器件供电，起到边行车边加热的作用。

3 可调节通风系统

动力电池在冬季需要保温以及加热的同时，也要解决夏季需要散热的问题，这就需要电池舱保温设计具有柔性化，不能简单地把电池舱做成一个密闭的空间，需要留有一个活动的、可调节的通风口用于夏季散热使用。由于纯电动客车大多匹配大电量、慢充式动力电池，整车正常行驶时对动力电池的工作功率需求比较适中，采用自然通风冷却方式即可满足动力电池系统的散热需求。图4为舱门可调节通风装置示意图。