淺析機車動力電池熱保障系統的發展路線

胡利航

(中車資陽機車有限公司，四川 資陽 641300)

0 引言

環保意識已經深入人心，新能源作為一個發展方向已經在各個行業產生了深遠影響。例如2018年全年中國新能源汽車產銷分別完成127萬輛和125.6萬輛，比上年同期分別增長59.9%和61.7%。中車資陽機車有限公司(以下簡稱“我司”)作為機車行業先行者，早在2011年設計生產的CKD6E5001機車上就開始搭載動力電池系統用于純電和混合動力牽引。

1 動力電池熱保障系統作用

由于過高或過低的溫度都將直接影響動力電池的使用壽命和性能，并有可能導致電池系統的安全問題；電池箱內溫度場的長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，電池熱管理系統對于電動車輛動力電池系統而言是必需的。

2 當前汽車行業技術水平

隨著電動汽車行業的逐漸規范，動力電池熱管理方式也越來越科學。目前主流電動/混合動力乘用車動力電池熱管理系統分為風冷和液冷。

風冷是以低溫空氣為介質，利用熱的對流，降低電池溫度的一種散熱方式，分為自然冷卻和強制冷卻。該技術利用自然風或風機，配合汽車裝備的乘員艙空調系統進一步為電池降溫，系統結構簡單、便于維護，如日產聆風(Nissan Leaf)、起亞Soul EV等。這種方式需要將電池的熱負荷、乘員熱負荷以及車體傳熱同步考慮，不適合功率較大的車輛。據了解，目前的電動巴士、電動物流車中也廣泛采納空調風冷冷卻方式，根據布置方式不同，有采用乘客艙空調系統來冷卻電池，也有獨立設置空調為電池冷卻的。圖1為通過乘員艙空調風冷卻系統示意。

圖1 利用乘員空調風冷系統示意圖

液冷技術是通過液體對流換熱，將電池產生的熱量帶走，降低電池溫度。液冷系統設計合理可以發揮液體介質熱容量大、與固體壁面換熱系數高的優點，系統反應速度快，對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著。液冷系統實現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電的工作液體中。非直接接觸式是在電池模塊間設置冷卻通道，或在電池底部采用冷卻板，工作液體在這些流道中流動。液冷已是目前較多電動乘用車的優選方案，國內外的典型產品如特斯拉、通用沃藍達、吉利帝豪EV等。圖2為特斯拉電動汽車的冷卻方式示意。

圖2 特斯拉電池采用的液冷系統

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蒸發器的一部分，冷媒進入蒸發器中直接帶走電池熱量。這種方式具有冷卻迅速，結構緊湊等優點，但因為工質工作壓力大，集成在電池系統中的密封性要求較高所以運用車型較少。

新能源汽車熱管理系統的效果少有廠家明確。據資料顯示特斯拉使用的電池熱管理系統可以將1塊電池組內各單體電池的溫度差異控制在±2℃以內，換言之，1個電池包內的最大溫差小于4℃，整個電池系統溫差控制指標沒有資料明確。國內因《GB/T 31485-2015 電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》中對動力電池溫度控制沒有要求，新能源汽車電池熱管理系統的控制目標廠家各有標準。從收集到的信息來看，一般目標是控制在5℃～8℃，實際使用中溫差比目標范圍普遍更大。

3 熱保障系統的基本分析

不管是風冷還是水冷方案，熱保障系統的根本目的就是電池和冷卻介質的熱交換。可知在熱量不變的情況下，冷卻介質流量越大，帶走的熱量越多，其溫差越小；在流量一定的情況下需要帶走的熱量越小，溫差越小。對于動力電池系統來說，冷卻介質流量越大，冷卻介質流經電池數量越小，電池溫差控制越好，這也是我司動力電池熱保障系統的設計思路。

4 混動機車電池系統和新能源汽車電池系統的差異

混合動力機車與新能源汽車的動力電池有較大的區別，主要表現在動力電池規模和動力電池布置上。根據統計主流電動乘用車裝車電量為16～30 kWh，比亞迪電動E6電動出租車電量58 kWh，蔚來ES8計劃提供86 kWh的車型。我公司混合動力機車裝車電量已經形成250～1 400 kWh的多個等級。可見與混合動力機車相比，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力電池設置在底盤或者后備箱內，這也是前文所說利用乘員艙空調冷卻電池方式的成立前提。因為既要考慮冷卻效果，又要考慮車身隔音，所以車輛風道設計依然困難重重；汽車底盤的位置較低，在不良路面行駛時存在磕碰的可能。同時道路環境相比機車鐵路環境更復雜，容易出現涉水行駛的情況，所以新能源汽車電池要求機械防護性能好。混合動力機車動力電池可布置在機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整，軌道運用環境比汽車行駛路面簡單，所以在電池防護和熱管理系統的布置上會相對容易。例如空調風冷機組可以很容易地布置在電池正上方，通過電池后再從四周回風，與房間頂置空調無異。

5 技術路線發展

自第1臺混合動力機車出廠以來，我司在使用的過程中逐漸摸索了動力電池熱管理系統在不同機車上的適應性問題。

我司第一代混合動力機車電池箱懸掛于主車架下，采用的熱管理系統為環境風強迫冷設計。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。每個電池箱配備1個冷卻風扇。冷卻風從電池的一側吸入，經過電池模組后從電池箱另一側排出，示意圖見圖3。電池箱配備電加熱膜，可以在環境溫度時對電池單體進行加熱。可以看出該熱管理系統較為簡單，實際運用中動力電池的發揮受環境溫度的影響很大。

圖3 第一代混合動力機車電池通風冷卻方案

我司第二代混合動力機車裝備了電壓1 500 V、最大電量1 400 kWh等級，有26650圓柱電芯為基礎的動力電池。動力電池自成1個艙室，在其頂部布置了大功率的空調系統作為電池熱管理系統的一部分。見圖4。采用空調風冷的好處是在較高的環境溫度下也可使動力電池維持在適宜的工作溫度，同時自帶有除濕效果，可以保證動力電池室內空氣較為干燥。同時空調也具有加熱功能，在環境溫度較低時可以保證動力電池快速升溫，機車運用不受限制。該車型電池熱管理系統主要包含電池通風結構設計、空調機組和熱管理系統控制策略3部分。其中空調通風結構又包含電池包內部風道設計和電池包外部風道設計。為兼顧電池系統體積和通風效果，電池包內部采用非均勻流道設計，在總體尺寸較小的情況下達到了較好的通風水平。通過CAE模擬分析和試驗對比，基本達到預期效果。與第一代混合動力機車相比，機車動力電池對環境的適應性大大增強。

圖4 第二代混合動力機車電池及熱管理系統仿真

目前，我司也在開發用于混合動力機車的方形/軟包電池的集成方案，裝車性能參數與第二代混合動力機車類似。電池包集成液冷板，在冷卻液流量7 L/min時，電池包各電池單體溫差控制在2℃以內，液冷管路系統見圖5。熱保障系統管路布局有兩種方式：①采用全并聯方式，每個并聯管路上均設置有流量調節閥，總管路上設有泄壓管路系統。②為每個支路串聯2個電池包再并聯的方式，同樣每個支路上也設置流量調節

閥，總管路上設有泄壓管路系統。通過理論計算，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。目前正在籌備生產試驗樣機，檢驗實際效果。

圖5 液冷管路系統

除了設置主動熱管理系統，我公司也根據機車特定使用情況試制了無主動管理系統的純電動調車機車。機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。為適應自然散熱，電池箱根據機車特征使用循環，電池采用自然散熱方式。為確保電池安全在控制系統中設置充電電流0.3 C恒流轉恒壓，放電0.5 C，短時(6 min)放電1 C。目前該機車使用良好，電池系統狀態正常。

6 結語

通過我司現有動力電池熱保障系統的使用經驗，混合動力機車電池熱保障系統種類和性能應根據機車使用特性和選用電池特性來確定。

1)動力電池自然冷卻或普通通風冷卻方式適合運用環境良好，且機車負荷循環較小的場合。

2)要保證電池在嚴酷環境、負荷循環較大時可用，則需要采用空調風冷或空調(冷水機組)水冷的方式。因機車動力電池系統安裝方式比汽車簡單，這兩種方式均適合機車使用。

3)熱保障系統受電池包集成技術限制較大：如果需要外購完整電池包，則熱管理系統選型受供應商限制；反之則可以自由選則熱保證系統。