摘要:分析电动汽车常用的电池热管理设备的选型和布置的基本原则及布置方式。
关键词:电动汽车;电池热管理;简易机组;独立机组;非独立机组
电动汽车电池热管理系统是通过外部设备来调节电池的工作温度，使电池始终能在合适的温度范围内工作。对于锂电池来说，其温度在20～35℃工作状态最佳。温度较低时其容量衰减，功率性能下降;温度较高时自放电风险增加，内部副反应增多，影响电池的可用容量，降低电池的使用寿命和效率［1－2］。电池热管理包括:在夏天，当电池温度过高时，给电池降温，避免电池产生不可逆的热反应而发生安全事故;在冬天，当电池温度过低时，能够给电池加热，保证电池的充放电性能，同时避免电池低温工作时在电池负极产生析锂而造成电池内部短路等风险［3－4］。
1电池热管理设备的选型
电池热管设备的选型需要结合车辆使用场景及电池布置位置进行，以满足车辆对电池热管理的要求，确保电池处于“舒适”的工作环境中，从而提高电池使用寿命。下面介绍几种客车常见的电池热管理设备的选型。1)简易机组。制冷时将空调冷气引入机组内与循环防冻液进行热交换;制热时是电液体式加热器加热循环防冻液。防冻液冷却或加热后进入电池箱，对电池进行热管理，确保电池在控制的温度范围内。与独立机组和非独立机组相比，简易机组成本最低、系统最简单，同时因简易机组无蒸汽压缩式制冷循环，相对来说也最安全。但其冷气来自车辆制冷设备，因此必须安装制冷设备，同时制冷设备刚开始工作时，冷气温度较高，简易机组的制冷能力较差，制冷功率较小，一般小于2kW。适合安装于充放电倍率较低的慢充型电池的混合动力客车。2)独立机组。独立机组自带的压缩机、冷凝器和板式换热器组成制冷循环，其产生的低温低压冷媒在板式换热器内与进入机组内的循环防冻液进行热交换［5］;制热时通过电液体式加热器加热循环防冻液。防冻液冷却或加热后进入电池箱，对电池进行热管理。与非独立机组相比，多了一套单独制冷用的压缩机和冷凝器，成本较高。但由于其系统为一个单独系统，控制逻辑相对于非独立机组较简单，同时冷媒接头数量少，相对也较为安全。独立机组制冷能力可根据需要选择，一般在2kW以上。适合安装于充放电倍率较高的快充型电池的混合动力和纯电动客车上。3)非独立机组。通过将另外的制冷设备产生的低温低压的冷媒在板式换热器内与进入机组内的循环防冻液进行热交换;制热时通过电液体式加热器加热循环防冻液，防冻液冷却或加热后进入电池，对电池进行热管理。因此，必须安装制冷设备，且由于变频压缩机的频率有最低值，造成非独立机组产生的功率大，一般在6kW以上。与独立机组相比，存在电池热管理和整车制冷的需求相冲突，因此，其控制逻辑最为复杂。适合安装于充放电倍率较高的快充型电池的纯电动客车。
2电池热管理设备的布置
2.1电池热管理设备布置的基本原则
电池热管理设备的布置与电池布置密切相关，在实际布置时要遵循如下原则:1)根据电池顶置、底置和后置状态就近布置电池热管理设备，并尽量避免在所布置状态下存在的缺点。2)对于独立式电池热管理设备，安装时要增加减振胶垫，并且要确保冷凝器的进风和出风要通畅，不允许回流现象发生;对于简易热管理设备，冷空气要从整车制冷设备的风道引取，从冷风道引风的位置应尽可能靠近整车制冷设备的蒸发器出口处。3)加快电池箱水冷板内部防冻液循环的水泵进水口要尽可能靠近定压和为水冷却循环系统加防冻液的膨胀水箱，膨胀水箱要位于电池冷却系统的最高位置，且需要增加排气管装置，用于排除防冻液在加热或者降温过程中释放出来的空气，避免加防冻液困难。4)对于多组电池冷却，为了减小不同电池内部分温差，流经电池箱的水路要尽量采用并联方式，且单一支路最大不能超过3块电池箱。5)如选装PTC电液体加热器，需要将其布置在水泵之后水路循环较低位置，禁止置于水路循环的最高点。6)水管路要尽可能短，且尽量大的转弯半径;管路增加保温措施，减少防冻液在管路运输中的热损失;管路接头应采用不锈钢或尼龙材料，不使用铜材，避免铜锈腐蚀电池箱内的冷却板，确保电池不发生泄漏。7)要考虑热管理设备检修方便性。
2.2不同布置方式的优缺点
2.2.1顶置
图2是某纯电动客车安装独立机组型式的电池热管理设备顶置的布置状态。电池热管理设备包括制冷机组、水冷循环系统、电液体式加热器和水泵，与电池箱一起安装在车顶支架上，车顶支架通过顶盖骨架的预埋螺栓固定在车顶上。在设计时要注意水泵尽量位于水路最低点，膨胀水箱与水路的高度差尽量大。由于支架是可拆卸的，因此电池热管理设备及相关管路的布置安装可以在地面上进行，布置安装完成后再与支架一起吊上车顶固定，这样现场装配时有相对大的操作空间，有助于提高装配效率。同时，设备布置在车顶还有以下好处:空气相对干净，减少了热管理设备因为水冷机组的冷凝器表面灰尘积累而导致的换热效率下降;不用改变车身基本结构，系统空间不受影响，布置更为灵活;可以保证冷却管路基本在同一个平面，减少了由于管路布置高低不平带来的水路阻力，提高了流经各个电池箱水流量的一致性，有利于电池温差在要求的范围内［6－7］。当然，顶置式布置也有一些缺点:增加了顶盖骨架和侧围骨架的负荷，对车身骨架强度有更高的要求;提高了整车的重心，对车辆稳定性有一定影响;增加了车辆超高的风险。
2.2.2底置
图3是某纯电动客车安装独立机组型式的电池热管理设备底置的布置状态，电池热管理设备包括制冷机组、水冷循环系统和水泵，均固定在底架上，管路也布置在底架下面。电池热管理设备底置布置的优点从整车电池布置的合理性考虑，主要是车辆重心低，稳定性好，车辆外形美观，不影响空调顶机和天窗的布置等［8］。但从电池热管理设备布置的合理性角度考虑，底置有如下一些劣势:一方面，水路需要穿过底架，不可避免会造成冷却水管路高度不一致，产生额外的阻力和降低了经各个电池箱水流量的一致性，如布置不当非常容易造成电池温差;其次，水冷机组及相关部件布置空间受限，车身、底架改动大;再次，由于热管理设备有高压部件，布置在底部需要考虑车的涉水深度;最后，由于空间限制，后期的检修也相对不便。
2.2.3后置
图4是某混合动力客车安装简易机组型式的电池热管理设备后置的布置状态。电池热管理设备的制冷机组、水冷循环系统、电液体式加热器水泵集成一体与电池一起布置在车辆后部上面的舱内。电池热管理设备布置于后舱不影响整车造型，设备后期检修方便;另外，相对于底置布置系统接近于地面温度较高，而顶置布置系统受到太阳辐射面温度较高，电池和热管理设备布置于后舱其外部热负荷相对较小;最后，设备布置于后舱不会像底置一样影响车的涉水深度。电池热管理设备布置于后舱的缺点主要体现在减少了乘客区使用空间，对车辆轴荷分配也有一定影响。
3结束语
目前，电动客车上常见的电池热管理设备的型式及布置主要有本文介绍的几种，作为电动客车重要组成部分的电池热管理系统时刻扮演着电池“保姆”的角色，保证动力电池使用性能、安全性和寿命［9－10］。因此，在实际应用中，充分了解电池热管理设备的型式及布置非常重要。
参考文献:
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［2］赵卫兵．电动车锂电池热管理系统研究［D］．长春:吉林大学，2014．
［3］吴泽民，潘香英，冯超．纯电动汽车电池组热管理系统设计［J］．汽车电器，2013(1):10－12．
［4］王秋霞．锂动力电池管理系统热管理策略研究［J］．机电工程技术，2016，45(9):65－67．
［5］王泰华．动力电池热管理及其系统开发［J］．汽车纵横，2011(9):72－76．
［6］陈大分．动力锂离子电池系统热管理研究［D］．北京:北京交通大学，2017．
［7］刘博渊．纯电动客车动力电池热管理系统开发［D］．长春:吉林大学，2016．
［8］王文清．纯电动汽车用锂动力电池热管理系统开发研究［D］．长沙:湖南大学，2016．
作者:冯还红 单位:厦门金龙联合汽车工业有限公司