电动客车电池热管理系统相关设计的对比与匹配

 电池热管理系统的设计，对电动汽车的续驶里程，使用性能等方面有至关重要的作用。本文对某款电动客车的电池热管理系统的相关设计进行了选择，运用AMESim一维仿真软件对电池包内部冷却方式以及对传统水箱散热与电动车空调复合散热进行了对比。结果表明，采用液体冷却的后置式空调系统辅助冷却的电池热管理系统的性能更好。

对于日益严峻的环境污染和能源短缺问题，节能减排是一个重要手段。节能、环保、无污染的新能源汽车是当下汽车业发展的主要趋势。新能源汽车可分为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车等类型。其中以动力电池为动力源的纯电动汽车由于其节能、无噪声、环保、高效等优点发展迅速。本文以某电动客车为设计对象，以传统的液冷散热模式与引入了空调系统的电池液冷散热系统进行比较，设计出一款散热效果良好的电池热管理系统。

一、动力电池的选型

动力电池是电动汽车的核心部件，其性能的好坏与汽车的工作状态密不可分。目前使用较多的动力电池有铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、锌空气电池等，综合国内外目前的研究成果，锂离子电池由于其循环使用寿命长、无记忆效应、比功率大、绿色环保等优点被广泛应用于电动汽车动力电池。本文选择锂离子电池中的磷酸铁锂电池作为单体电池进行研究。由于锂离子电池对温度很敏感，温度低于适用范围时，其使用性能下降，容量降低，易出现过放电现象，降低电池寿命；温度高于适用范围时，其化学反应速率加快，电池的使用性能下降，严重时还易导致热失控现象的产生。因此，保持合适的温度对于发挥锂离子电池的性能显得非常重要。

二、冷却方式的选择

电池热管理系统是通过各种方式，对电池进行温度控制，及时降温及加热，保证电池包的整体温度在最佳的工作范围内，并保证单体电池间以及电池模块间的温度均匀性。电池热管理的方法主要分为：主动冷却和被动冷却。一般情况下，按不同的冷却介质又分为：空气冷却、液体冷却和相变材料冷却等。

图1并行通风

(一)空气冷却

空气冷却分为自然风冷和强制风冷两种，由于自然风冷的效果不佳，一般广泛采用强制风冷。强制风冷是指通过风扇等动力设备或空调系统的辅助蒸发器进行冷却。按照空气的流通方式其又分为：串行通风和并行通风。大量的研究表明，并行通风如图1的冷却效果更好。

下图2是在AMESim中对5节单体锂离子电池进行并行通风的仿真，参数设定选定为某客车的电池包单体电池的相关参数，电池的质量为0.380744kg。图3为这5节单体电池进行空气冷却后的温度变化曲线。电池SOC从100开始，以1C开始放电，电池设定的初始温度为40度，环境温度设为20℃。

图2空气冷却

图3空气冷却电池温度变化图

(二)液体冷却

液体冷却分为直接接触式液冷和间接接触式液冷。由于直接接触式冷却对冷却液的选择有很大的限制，对比两种冷却方式的优缺点，综合选择间接接触式液冷。同样是利用AMESim对5节单体锂离子电池进行液冷仿真，如图4所示。仿真运行结束后，5节电池的温度仿真结果如图5所示。参数设置同空气冷却。

图4液体冷却

图5液体冷却电池单体温度变化图

图6不同放电倍率下电池单体的温度图

从仿真结果可以看出，相同参数下，液体冷却对单体电池的温度控制和温度均匀性明显高于空气冷却。

再在此基础上对单体电池进行1C、2C、3C、4C、5C放电仿真。结果如图6所示。

由图可以看出，可以看出放电倍率越大对电池的温控越差。即电池充放电倍率越大，电池的温升越大。

(三)相变材料冷却

相变材料冷却也称作PCM冷却，是指在单体电池之间填充相变材料，利用相变材料的相变特性，从而对电池包的温度进行调整与控制。目前相变材料冷却还处于发展阶段，并不成熟。

三、电池热管理设备的安放

(一)电池箱的设计要求

电池箱在设计时应考虑如下要求：

(1)绝缘、密封性及防水性

(2)通风及散热性

(3)箱体强度的要求

(二)电池包的安装方式

1.顶置

将电池热管理系统安装固定在电动客车的车顶支架处。其优点如下：由于车顶车架的可拆装性，对于电池热管理系统的安装，拆修都提供了便利性，提高了装配的效率；由于设备安装在车顶，不易积聚灰尘，换热效率良好；不影响客车内部空间布置；由于安装面的平稳性，保证了各管路冷却液循环的一致性，对温度的均匀性有很大的提升。其缺点如下：增加了车顶盖及侧面的负荷，需要车身具有更高的承受载荷能力，提高了客车整体的重心，降低了车辆行驶的平稳性以及安全性，受太阳辐射大，提升整体电池包温度。

2.底置

将电池热管理系统安装固定在客车底架处。其优点如下：相比顶置安放而言，减少了车顶盖以及侧面的承受载荷，降低了车身的重心，增强了客车的行驶安全性和平稳性。其缺点如下：由于车辆在行驶过程中不可避免会遇到水路，土地等环境恶劣地带。所以将电池热管理系统安装于车辆底架处时与要考虑其位置高低，防止由于水路带来的阻力，使得冷却管中流量不一致，造成电池温度不均匀，以及环境恶劣地带的灰尘，影响换热效率；由于系统在底部，对于安装，拆卸也有一定的不便；对车辆底架的承载能力有一定的要求。

3.后置

将电池热管理系统安装于车辆的后舱处。其优点如下：受外界条件干扰小，如：太阳辐射、不同路况等；对客车行驶平稳性及安全性没有造成过多干扰；系统的安装拆修比较方便；其缺点如下：减少了客车内部的空间。

基于三种电池热管理系统的放置方式，本文选择后置式。

四、空调系统与电池热管理设备的耦合

(一)传统液冷水箱散热的仿真

参照某电动客车电池模组采用5排7列的布局，对单个模组进行传统的水箱散热。设置环境温度为20℃，电池初始温度为45℃，电池SOC从100开始放电，仿真时长为1200S。基于AMESim的传统水箱散热的简单放电回路的搭建，如下图7所示。

图7传统水箱散热图

最终仿真结果，每排电池取了1-2个单体电池，如图8所示。

图8电池温度图

(二)空调系统与电池热管理系统进行复合冷却

同样参照某客车的电池包模组，参数设置与传统水箱散热一致。基于AMESim的空调复合冷却回路模型的搭建如下图9所示。

图9空调系统复合冷却回路图

仿真时长1200S，每排选择1-2个电池单体进行温度仿真，结果如图10所示。比较传统水箱散热可以看出，温度下降的速度要大于传统水箱散热，散热性能也要优于传统的水箱散热。

图10电池温度图

五、总结

对比以上几种比较和仿真结果，可以看出：对于锂离子电池来说，目前，液体冷却的散热效果优于其他的冷却方式；电池包后置式放置可以更好的保证电池包的性能；空调系统辅助式电池热管理系统的性能也优于传统水箱散热。