大型客車大電流快速充電 PACK冷卻散熱結構及系統(tǒng)的設計

1、大型客車大電流快速充電 PACK 冷卻散熱結構及系統(tǒng)的設計摘要：電池的充電時間和續(xù)航里程是衡量電動車性能的兩個重要參數。大型電 動客車的電壓平臺已從前幾年345V左右提高到現在的500V-630V,受電器元件耐 壓等級及國家標準制約，進一步縮短充電時間，提高充電功率，需要加大充電電 流。鈦酸鋰電池(Li4Ti5O12)實驗室測試，可10C充放電，即6分鐘完成充電； 實際運營中，鈦酸鋰電池充電倍率一般在3C-5C以上，根據公式，5C充電時所產 生熱量的功率是1C充電時的25倍，PACK設計中散熱功能凸顯重要。本文主要 從 PACK 設計方向和大電流充電時的散熱兩方面展開。關鍵詞：鈦酸鋰電池；大電

2、流；快速充電；冷卻；散熱引言 充電功率加大，由電池的內阻、內部電化學反應、導電連接件，保險接、連 接器等部件產生熱量幾何級增加，電池溫度升高，嚴重影響電池壽，甚至會有潛 在安全風險?？焖俪潆娚岱绞?、散熱結構及散熱系統(tǒng)是 PACK 設計的重要內容 使電池在合理溫度區(qū)間運行，對提高電池能效，延長電池壽命，降低車輛成本， 保證車輛安全運營等方面都有重要現實意義。PACK 設計的方向隨著技術發(fā)展和客戶需求提高， PACK 設計也出現了一些新變化，主要向高能 量、輕量化、可快充、低成本、標準化方面發(fā)展。高能量、輕量化為提供車輛續(xù)航里程，縮小單位載質量能耗(EKG)，提高車輛運營能力， 首先需要選擇能量

3、密度高的電池單體，同時PACK結構性能滿足的前提下，做輕 量化設計，目前磷酸鐵鋰系PACK能量密度可以做到145wh/kg，小于125wh/kg 的 PACK 將會沒有市場。大倍率快速充電 大倍率快速充電可有效縮短充電時間，磷酸鐵鋰電池目前可做到 0.5-1C 充電鈦酸鋰電池可10C充電，PACK可以達到5C以上，因國標限制充電槍單槍電流不 能超過250A，現珠海銀隆新能源電動車可做到4槍1000A充電，12-15分鐘可以 充滿電。冷卻方式多樣化搜索國內外專利，2014年以前PACK冷卻方式為自然冷卻和風冷為主，2014 后液冷、相變和組合冷卻所占比例逐年上升，隨著新材料，新技術的發(fā)展，動力

4、電池箱的冷卻方式也趨于多樣化。低成本、標準化PACK結構及熱管理等仿真分析是縮短PACK開發(fā)周期，優(yōu)化結構，確保樣品 測試一次性通過，降低開發(fā)成本的重要手段。同時各廠家的電芯規(guī)格、PACK規(guī)格 各不相同，在大力推動電動車市場化的趨勢下，有必要盡快推出相關國家標準， 統(tǒng)一電芯單體和PACK規(guī)格，降低整個社會成本。散熱方式 常用的冷卻方式主要有四種：自然冷卻、強制風冷、液冷和相變材料冷卻。其中，自然冷卻、強制風冷和液冷這三個冷卻方式都是利用冷卻介質流過熱功耗 表面時發(fā)生的對流換熱將熱量帶走，過程中冷卻介質沒有發(fā)生相變。相變材料冷 卻則是冷卻介質在冷板中發(fā)生相變，并利用相變潛熱吸熱帶走大量的熱量，從

5、而 達到通過能量交換控制溫度和利用能量的目的。3. 散熱結構電池系統(tǒng)在充放電使用過程中，電池包內部產生大量熱量，需要箱體換熱帶 走。電池包產生熱量主要部分是由電芯化學能與電能之間轉換產生；其次電池包 電氣連接結構件產生的熱量，此部分主要是匯流排與電芯連接接觸電阻及匯流排 本身電阻等因素，在熱管理設計中，需要根據實際情況選擇合適的冷卻方式。大 型客車大電流充電，特別是 3C 以上充電，單獨使用一種散熱方式無法達到最理 想的換熱效果，需加幾種或幾種組合的混合散熱方式。散熱結構設計不僅要考慮電池箱整體溫度的降低，還要關注各電池組之間溫 度均勻，大型客車一般單箱內電芯溫差5C，整車各電芯溫差10o3.

6、1 自然冷卻系統(tǒng) 采用自然冷卻散熱方式是典型的以空氣作為傳熱介質的被動散熱方案，自然 冷卻方案具有結構簡單、零部件數量少、成本低等優(yōu)點，是目前應用最廣泛的一 種散熱方式。如圖1-1 所示，自然冷卻主要需要確定導熱路徑，并優(yōu)化自然對流 換熱的效率。圖 1-1 自然冷卻結構示意圖3.2 強制風冷系統(tǒng)強制風冷方案具有結構簡單，重量輕，成本較低等優(yōu)點。如圖 1-2 所示，強 制風冷系統(tǒng)主要包括進出風口、風道、風扇和防塵裝置等，主要確定導熱路徑、 進風口位置和進風口直徑、風道布置、冷卻策略等。圖 1-2 強制風冷結構示意圖3.3 液冷系統(tǒng)在高充放電倍率、較高的運行環(huán)境溫度時，依靠空氣冷卻顯然很難滿足散熱

7、 需求，而且電池之間的溫度不均勻性也非常突出，因此需要效率更高的傳熱介質 才能達到電池包的散熱要求。液體介質相對于空氣介質擁有更大的導熱系數。如 圖 1-3 所示，液體冷卻方案主要包括液冷管路、液冷板、導熱層、支撐結構和冷 卻策略等，設計主要確定導熱路徑、液冷回路及液冷板、液冷板支撐、冷卻策略圖 1-3 液冷結構示意圖3.4 相變混合冷卻系統(tǒng) 通過相變材料在相變過程中的潛熱在電池升溫時來吸收電池的熱量，同時減 小單體電池之間溫度差。如圖1-4 所示，相變材料冷卻方案與液體冷卻方案基本 類似，冷卻效率比液體冷卻更高，更能滿足快充需求，同時結構緊湊，質量輕。圖 1-4 相變冷卻結構示意圖4. 熱仿

8、真分析 利用計算機建模進行仿真，既可以在產品開發(fā)早期作為主要分析方法，來驗 證產品設計的合理性，及時發(fā)現設計存在的問題和缺陷，提升開發(fā)過程中理論水 平，并檢驗產品開發(fā)過程是否偏離正確方向；也可以縮短其開發(fā)周期、降低開發(fā) 成本。4.1 產熱分析 電池在設定工況下的發(fā)熱功率是熱管理系統(tǒng)設計的一個非常重要的輸入參數 在進行熱管理系統(tǒng)設計之間需要獲得這個參數。獲得電池產熱功率的方法多種多 樣，但歸根結底都是采用數學建模的方法。下述主要以歐姆法進行描述。4.1.1 歐姆法 最簡單的一種建模方法，是將電池簡化成一個電阻，如圖1-6 所示。電池在 充放電過程中的產熱則可以用歐姆定律來計算，如式(1-1)所示

9、：(1-1)式中，為產熱功率，W；為通過電池的電流，A； R為電池的直流內阻，0O圖1-6 電池的電流內阻簡化圖4.2 熱場流場仿真分析 計算流體力學將工程中涉及的流動與傳熱問題用數學建模進行描述，隨后利 用數值方法對模型進行了解并得出熱場和流場的分布情況，然后對仿真結果進行 分析并指導設計。在常規(guī)工況下，電池系統(tǒng)內部的傳熱和流體流動過程并不是特別復雜，常用 的商業(yè)軟件(如Fluentt StarCCM+等)都可以十分精確地仿真出電池系統(tǒng)內部的熱 場分布和流場分布，如圖1-7 所示，雖然如此，對流動和傳熱理論基礎的深入理 解，仍然保證仿真精度的必要條件。圖1-7 電池系統(tǒng)內部熱場和流場仿真分析

10、整車水冷系統(tǒng)的組成對大型客車，電池箱布置一般在 5-20 箱，液冷循環(huán)系統(tǒng)復雜，水路需采用并 串聯接合方式，以達到更好的散熱均溫效果。如圖1-8 所示，整車冷系統(tǒng)包括： 壓縮機、冷凝器、膨脹閥、管路和換熱器、水泵等。圖 1-8 整車冷卻系統(tǒng)示意圖結論與展望對于大型客車 PACK 方案設計，本文重點從鈦酸鋰 PACK 的散熱方式及結構、 輕量化、大倍率快速充放電方面進行研討。而PACK的熱管理設計和輕量化設計 是直接影響電池系統(tǒng)及整車使用壽命及續(xù)航里程的一個重要指標，電池系統(tǒng)的續(xù) 航里程由 PACK 的能量密度、比能量和比功率所決定；還有一個因素是成本，它 同樣是電池系統(tǒng)開發(fā)過程中一個重要考慮因

11、素，目前電池系統(tǒng)成本偏高，對于電 池系統(tǒng)成本需要結合整車開發(fā)目前進行分析。但是對于一個全新的電池系統(tǒng)的設 計選型評估，除了這些還需要考慮電池在整車中的布置，整車散熱系統(tǒng)、熱仿真 分析、新型傳熱材料及換熱介質材料、 PACK 在整車電池系統(tǒng)的安裝位置等因素。 總之通過以上分析電池系統(tǒng)的設計過程中各種因素相互制約，只有在這些因素中 找到平衡點才可以得到設計出最佳的電池系統(tǒng)方案。參考文獻：張景濤，李明濤，張禮憲，周雨輝，魏濤.某電動客車動力電池冷卻系統(tǒng)的 改進及驗證J.客車技術與研究，2018.40 (02)： 33-35徐洋，呂玲.關于純電動客車電池熱管理的探討與研究J.化工管理.2017( 08)： 35.侯連武，何安清.電動客車電池散熱系統(tǒng)解決方案分析J.技術與市 場.2016.23(12)： 20-23.高松，房海