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机车动力电池热保障系统发展路线研究分析

2020-08-17 201 上传者：管理员

摘要：电池在使用过程中会产生热量,热量累积会导致电池内阻变化,温度超过电解液分解温度后还会导致电池发生热失控等问题。电池成组后热量不均导致每个电池对外特性不一,将会严重影响电池使用性能。为解决这些问题,电池热保障系统应运而生。从汽车行业的热保障系统出发,介绍中车资阳机车有限公司机车产品电池热保障系统的发展路线。

关键词：
动力电池
新能源
机车
热保障系统
电池内阻
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环保意识已经深入人心,新能源作为一个发展方向已经在各个行业产生了深远影响。例如2018年全年中国新能源汽车产销分别完成127万辆和125.6万辆,比上年同期分别增长59.9%和61.7%。中车资阳机车有限公司(以下简称“我司”)作为机车行业先行者,早在2011年设计生产的CKD6E5001机车上就开始搭载动力电池系统用于纯电和混合动力牵引。

1、动力电池热保障系统作用

由于过高或过低的温度都将直接影响动力电池的使用寿命和性能,并有可能导致电池系统的安全问题;电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体间性能的不均衡。因此,电池热管理系统对于电动车辆动力电池系统而言是必需的。

2、当前汽车行业技术水平

随着电动汽车行业的逐渐规范,动力电池热管理方式也越来越科学。目前主流电动/混合动力乘用车动力电池热管理系统分为风冷和液冷。

风冷是以低温空气为介质,利用热的对流,降低电池温度的一种散热方式,分为自然冷却和强制冷却。该技术利用自然风或风机,配合汽车装备的乘员舱空调系统进一步为电池降温,系统结构简单、便于维护,如日产聆风(NissanLeaf)、起亚SoulEV等。这种方式需要将电池的热负荷、乘员热负荷以及车体传热同步考虑,不适合功率较大的车辆。据了解,目前的电动巴士、电动物流车中也广泛采纳空调风冷冷却方式,根据布置方式不同,有采用乘客舱空调系统来冷却电池,也有独立设置空调为电池冷却的。图1为通过乘员舱空调风冷却系统示意。

图1利用乘员空调风冷系统示意图

液冷技术是通过液体对流换热,将电池产生的热量带走,降低电池温度。液冷系统设计合理可以发挥液体介质热容量大、与固体壁面换热系数高的优点,系统反应速度快,对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著。液冷系统实现形式有液体直接接触电池单体和非直接接触电池单体两种。直接接触方式是将电池单体或模块沉浸在不导电的工作液体中。非直接接触式是在电池模块间设置冷却通道,或在电池底部采用冷却板,工作液体在这些流道中流动。液冷已是目前较多电动乘用车的优选方案,国内外的典型产品如特斯拉、通用沃蓝达、吉利帝豪EV等。图2为特斯拉电动汽车的冷却方式示意。

图2特斯拉电池采用的液冷系统

除此之外还有少部分车型采用了制冷剂直冷的方式。例如BMWi3的部分车型直接将电池作为热管理系统蒸发器的一部分,冷媒进入蒸发器中直接带走电池热量。这种方式具有冷却迅速,结构紧凑等优点,但因为工质工作压力大,集成在电池系统中的密封性要求较高所以运用车型较少。

新能源汽车热管理系统的效果少有厂家明确。据资料显示特斯拉使用的电池热管理系统可以将1块电池组内各单体电池的温度差异控制在±2℃以内,换言之,1个电池包内的最大温差小于4℃,整个电池系统温差控制指标没有资料明确。国内因《GB/T31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》中对动力电池温度控制没有要求,新能源汽车电池热管理系统的控制目标厂家各有标准。从收集到的信息来看,一般目标是控制在5℃～8℃,实际使用中温差比目标范围普遍更大。

3、热保障系统的基本分析

不管是风冷还是水冷方案,热保障系统的根本目的就是电池和冷却介质的热交换。可知在热量不变的情况下,冷却介质流量越大,带走的热量越多,其温差越小;在流量一定的情况下需要带走的热量越小,温差越小。对于动力电池系统来说,冷却介质流量越大,冷却介质流经电池数量越小,电池温差控制越好,这也是我司动力电池热保障系统的设计思路。

4、混动机车电池系统和新能源汽车电池系统的差异

混合动力机车与新能源汽车的动力电池有较大的区别,主要表现在动力电池规模和动力电池布置上。根据统计主流电动乘用车装车电量为16～30kWh,比亚迪电动E6电动出租车电量58kWh,蔚来ES8计划提供86kWh的车型。我公司混合动力机车装车电量已经形成250～1400kWh的多个等级。可见与混合动力机车相比,新能源乘用车电池装车容量小得多。

主流新能源汽车主要将动力电池设置在底盘或者后备箱内,这也是前文所说利用乘员舱空调冷却电池方式的成立前提。因为既要考虑冷却效果,又要考虑车身隔音,所以车辆风道设计依然困难重重;汽车底盘的位置较低,在不良路面行驶时存在磕碰的可能。同时道路环境相比机车铁路环境更复杂,容易出现涉水行驶的情况,所以新能源汽车电池要求机械防护性能好。混合动力机车动力电池可布置在机车主车架上也可以悬挂在主车架下,布置空间比新能源汽车规整,轨道运用环境比汽车行驶路面简单,所以在电池防护和热管理系统的布置上会相对容易。例如空调风冷机组可以很容易地布置在电池正上方,通过电池后再从四周回风,与房间顶置空调无异。

5、技术路线发展

自第1台混合动力机车出厂以来,我司在使用的过程中逐渐摸索了动力电池热管理系统在不同机车上的适应性问题。

我司第一代混合动力机车电池箱悬挂于主车架下,采用的热管理系统为环境风强迫冷设计。电池采用18650圆柱形磷酸铁锂电池,通过卡板组成均匀间隙的模组。每个电池箱配备1个冷却风扇。冷却风从电池的一侧吸入,经过电池模组后从电池箱另一侧排出,示意图见图3。电池箱配备电加热膜,可以在环境温度时对电池单体进行加热。可以看出该热管理系统较为简单,实际运用中动力电池的发挥受环境温度的影响很大。

图3第一代混合动力机车电池通风冷却方案

我司第二代混合动力机车装备了电压1500V、最大电量1400kWh等级,有26650圆柱电芯为基础的动力电池。动力电池自成1个舱室,在其顶部布置了大功率的空调系统作为电池热管理系统的一部分。见图4。采用空调风冷的好处是在较高的环境温度下也可使动力电池维持在适宜的工作温度,同时自带有除湿效果,可以保证动力电池室内空气较为干燥。同时空调也具有加热功能,在环境温度较低时可以保证动力电池快速升温,机车运用不受限制。该车型电池热管理系统主要包含电池通风结构设计、空调机组和热管理系统控制策略3部分。其中空调通风结构又包含电池包内部风道设计和电池包外部风道设计。为兼顾电池系统体积和通风效果,电池包内部采用非均匀流道设计,在总体尺寸较小的情况下达到了较好的通风水平。通过CAE模拟分析和试验对比,基本达到预期效果。与第一代混合动力机车相比,机车动力电池对环境的适应性大大增强。

图4第二代混合动力机车电池及热管理系统仿真

目前,我司也在开发用于混合动力机车的方形/软包电池的集成方案,装车性能参数与第二代混合动力机车类似。电池包集成液冷板,在冷却液流量7L/min时,电池包各电池单体温差控制在2℃以内,液冷管路系统见图5。热保障系统管路布局有两种方式:①采用全并联方式,每个并联管路上均设置有流量调节阀,总管路上设有泄压管路系统。②为每个支路串联2个电池包再并联的方式,同样每个支路上也设置流量调节阀,总管路上设有泄压管路系统。通过理论计算,这两种管路布局均可以使各支路冷却液流量差控制在5%以内。目前正在筹备生产试验样机,检验实际效果。

图5液冷管路系统

除了设置主动热管理系统,我公司也根据机车特定使用情况试制了无主动管理系统的纯电动调车机车。机车电池包悬挂在车架下部,采用26650圆柱形电芯,电压DC544V,电量250kWh。为适应自然散热,电池箱根据机车特征使用循环,电池采用自然散热方式。为确保电池安全在控制系统中设置充电电流0.3C恒流转恒压,放电0.5C,短时(6min)放电1C。目前该机车使用良好,电池系统状态正常。

6、结语

通过我司现有动力电池热保障系统的使用经验,混合动力机车电池热保障系统种类和性能应根据机车使用特性和选用电池特性来确定。

1)动力电池自然冷却或普通通风冷却方式适合运用环境良好,且机车负荷循环较小的场合。

2)要保证电池在严酷环境、负荷循环较大时可用,则需要采用空调风冷或空调(冷水机组)水冷的方式。因机车动力电池系统安装方式比汽车简单,这两种方式均适合机车使用。

3)热保障系统受电池包集成技术限制较大:如果需要外购完整电池包,则热管理系统选型受供应商限制;反之则可以自由选则热保证系统。

胡利航.浅析机车动力电池热保障系统的发展路线[J].技术与市场,2020,27(08):49-50+52.

基金:中国铁路总公司科研计划项目(2017J009-E).