淺析機(jī)車動(dòng)力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)的發(fā)展路線

胡利航

(中車資陽機(jī)車有限公司，四川 資陽 641300)

0 引言

環(huán)保意識(shí)已經(jīng)深入人心，新能源作為一個(gè)發(fā)展方向已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。例如2018年全年中國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷分別完成127萬輛和125.6萬輛，比上年同期分別增長(zhǎng)59.9%和61.7%。中車資陽機(jī)車有限公司(以下簡(jiǎn)稱“我司”)作為機(jī)車行業(yè)先行者，早在2011年設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CKD6E5001機(jī)車上就開始搭載動(dòng)力電池系統(tǒng)用于純電和混合動(dòng)力牽引。

1 動(dòng)力電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)作用

由于過高或過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)車輛動(dòng)力電池系統(tǒng)而言是必需的。

2 當(dāng)前汽車行業(yè)技術(shù)水平

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的逐漸規(guī)范，動(dòng)力電池?zé)峁芾矸绞揭苍絹碓娇茖W(xué)。目前主流電動(dòng)/混合動(dòng)力乘用車動(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)(Nissan Leaf)、起亞Soul EV等。這種方式需要將電池的熱負(fù)荷、乘員熱負(fù)荷以及車體傳熱同步考慮，不適合功率較大的車輛。據(jù)了解，目前的電動(dòng)巴士、電動(dòng)物流車中也廣泛采納空調(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為通過乘員艙空調(diào)風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意。

圖1 利用乘員空調(diào)風(fēng)冷系統(tǒng)示意圖

液冷技術(shù)是通過液體對(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)汽車的冷卻方式示意。

圖2 特斯拉電池采用的液冷系統(tǒng)

除此之外還有少部分車型采用了制冷劑直冷的方式。例如BMW i3的部分車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?。這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)用車型較少。

新能源汽車熱管理系統(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℃以內(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)沒有資料明確。國(guó)內(nèi)因《GB/T 31485-2015 電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》中對(duì)動(dòng)力電池溫度控制沒有要求，新能源汽車電池?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??；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)來說，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)車電池系統(tǒng)和新能源汽車電池系統(tǒng)的差異

混合動(dòng)力機(jī)車與新能源汽車的動(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)乘用車裝車電量為16～30 kWh，比亞迪電動(dòng)E6電動(dòng)出租車電量58 kWh，蔚來ES8計(jì)劃提供86 kWh的車型。我公司混合動(dòng)力機(jī)車裝車電量已經(jīng)形成250～1 400 kWh的多個(gè)等級(jí)?？梢娕c混合動(dòng)力機(jī)車相比，新能源乘用車電池裝車容量小得多。

主流新能源汽車主要將動(dòng)力電池設(shè)置在底盤或者后備箱內(nèi)，這也是前文所說利用乘員艙空調(diào)冷卻電池方式的成立前提。因?yàn)榧纫紤]冷卻效果，又要考慮車身隔音，所以車輛風(fēng)道設(shè)計(jì)依然困難重重；汽車底盤的位置較低，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，所以新能源汽車電池要求機(jī)械防護(hù)性能好。混合動(dòng)力機(jī)車動(dòng)力電池可布置在機(jī)車主車架上也可以懸掛在主車架下，布置空間比新能源汽車規(guī)整，軌道運(yùn)用環(huán)境比汽車行駛路面簡(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，通過電池后再?gòu)乃闹芑仫L(fēng)，與房間頂置空調(diào)無異。

5 技術(shù)路線發(fā)展

自第1臺(tái)混合動(dòng)力機(jī)車出廠以來，我司在使用的過程中逐漸摸索了動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同機(jī)車上的適應(yīng)性問題。

我司第一代混合動(dòng)力機(jī)車電池箱懸掛于主車架下，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)過電池模組后從電池箱另一側(cè)排出，示意圖見圖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。

圖3 第一代混合動(dòng)力機(jī)車電池通風(fēng)冷卻方案

我司第二代混合動(dòng)力機(jī)車裝備了電壓1 500 V、最大電量1 400 kWh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)車運(yùn)用不受限制。該車型電池?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)車相比，機(jī)車動(dòng)力電池對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。

圖4 第二代混合動(dòng)力機(jī)車電池及熱管理系統(tǒng)仿真

目前，我司也在開發(fā)用于混合動(dòng)力機(jī)車的方形/軟包電池的集成方案，裝車性能參數(shù)與第二代混合動(dòng)力機(jī)車類似。電池包集成液冷板，在冷卻液流量7 L/min時(shí)，電池包各電池單體溫差控制在2℃以內(nèi)，液冷管路系統(tǒng)見圖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%以內(nèi)。目前正在籌備生產(chǎn)試驗(yàn)樣機(jī)，檢驗(yàn)實(shí)際效果。

圖5 液冷管路系統(tǒng)

除了設(shè)置主動(dòng)熱管理系統(tǒng)，我公司也根據(jù)機(jī)車特定使用情況試制了無主動(dòng)管理系統(tǒng)的純電動(dòng)調(diào)車機(jī)車。機(jī)車電池包懸掛在車架下部，采用26650圓柱形電芯，電壓DC544 V，電量250 kWh。為適應(yīng)自然散熱，電池箱根據(jù)機(jī)車特征使用循環(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0.3 C恒流轉(zhuǎn)恒壓，放電0.5 C，短時(shí)(6 min)放電1 C。目前該機(jī)車使用良好，電池系統(tǒng)狀態(tài)正常。

6 結(jié)語

通過我司現(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)車電池?zé)岜Ｕ舷到y(tǒng)種類和性能應(yīng)根據(jù)機(jī)車使用特性和選用電池特性來確定。

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)車動(dòng)力電池系統(tǒng)安裝方式比汽車簡(jiǎn)單，這兩種方式均適合機(jī)車使用。

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瑒t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)。