珠海广通汽车有限公司
摘要：电池的充电时间和续航里程是衡量电动车性能的两个重要参数。大型电动客车的电压平台已从前几年345V左右提高到现在的500V-630V，受电器元件耐压等级及国家标准制约，进一步缩短充电时间，提高充电功率，需要加大充电电流。钛酸锂电池（Li4Ti5O12）实验室测试，可10C充放电，即6分钟完成充电；实际运营中，钛酸锂电池充电倍率一般在3C-5C以上，根据公式，5C充电时所产生热量的功率是1C充电时的25倍，PACK设计中散热功能凸显重要。本文主要从PACK设计方向和大电流充电时的散热两方面展开。
关键词：钛酸锂电池；大电流；快速充电；冷却；散热
引言
充电功率加大，由电池的内阻、内部电化学反应、导电连接件，保险接、连接器等部件产生热量几何级增加，电池温度升高，严重影响电池寿，甚至会有潜在安全风险。快速充电散热方式、散热结构及散热系统是PACK设计的重要内容。使电池在合理温度区间运行，对提高电池能效，延长电池寿命，降低车辆成本，保证车辆安全运营等方面都有重要现实意义。
1.PACK设计的方向
随着技术发展和客户需求提高，PACK设计也出现了一些新变化，主要向高能量、轻量化、可快充、低成本、标准化方面发展。
1.1高能量、轻量化
为提供车辆续航里程，缩小单位载质量能耗（EKG），提高车辆运营能力，首先需要选择能量密度高的电池单体，同时PACK结构性能满足的前提下，做轻量化设计，目前磷酸铁锂系PACK能量密度可以做到145wh/kg，小于125wh/kg的PACK将会没有市场。
1.2大倍率快速充电
大倍率快速充电可有效缩短充电时间，磷酸铁锂电池目前可做到0.5-1C充电，钛酸锂电池可10C充电，PACK可以达到5C以上，因国标限制充电枪单枪电流不能超过250A，现珠海银隆新能源电动车可做到4枪1000A充电，12-15分钟可以充满电。
1.3冷却方式多样化
搜索国内外专利，2014年以前PACK冷却方式为自然冷却和风冷为主，2014后液冷、相变和组合冷却所占比例逐年上升，随着新材料，新技术的发展，动力电池箱的冷却方式也趋于多样化。
1.4低成本、标准化
PACK结构及热管理等仿真分析是缩短PACK开发周期，优化结构，确保样品测试一次性通过，降低开发成本的重要手段。同时各厂家的电芯规格、PACK规格各不相同，在大力推动电动车市场化的趋势下，有必要尽快推出相关国家标准，统一电芯单体和PACK规格，降低整个社会成本。
2.散热方式
常用的冷却方式主要有四种：自然冷却、强制风冷、液冷和相变材料冷却。其中，自然冷却、强制风冷和液冷这三个冷却方式都是利用冷却介质流过热功耗表面时发生的对流换热将热量带走，过程中冷却介质没有发生相变。相变材料冷却则是冷却介质在冷板中发生相变，并利用相变潜热吸热带走大量的热量，从而达到通过能量交换控制温度和利用能量的目的。
3.散热结构
电池系统在充放电使用过程中，电池包内部产生大量热量，需要箱体换热带走。电池包产生热量主要部分是由电芯化学能与电能之间转换产生；其次电池包电气连接结构件产生的热量，此部分主要是汇流排与电芯连接接触电阻及汇流排本身电阻等因素，在热管理设计中，需要根据实际情况选择合适的冷却方式。大型客车大电流充电，特别是3C以上充电，单独使用一种散热方式无法达到最理想的换热效果，需加几种或几种组合的混合散热方式。
散热结构设计不仅要考虑电池箱整体温度的降低，还要关注各电池组之间温度均匀，大型客车一般单箱内电芯温差≤5℃，整车各电芯温差≤10℃。
3.1自然冷却系统
采用自然冷却散热方式是典型的以空气作为传热介质的被动散热方案，自然冷却方案具有结构简单、零部件数量少、成本低等优点，是目前应用最广泛的一种散热方式。如图1-1所示，自然冷却主要需要确定导热路径，并优化自然对流换热的效率。
图1-1自然冷却结构示意图
3.2强制风冷系统
强制风冷方案具有结构简单，重量轻，成本较低等优点。如图1-2所示，强制风冷系统主要包括进出风口、风道、风扇和防尘装置等，主要确定导热路径、进风口位置和进风口直径、风道布置、冷却策略等。
图1-2强制风冷结构示意图
3.3液冷系统
在高充放电倍率、较高的运行环境温度时，依靠空气冷却显然很难满足散热需求，而且电池之间的温度不均匀性也非常突出，因此需要效率更高的传热介质才能达到电池包的散热要求。液体介质相对于空气介质拥有更大的导热系数。如图1-3所示，液体冷却方案主要包括液冷管路、液冷板、导热层、支撑结构和冷却策略等，设计主要确定导热路径、液冷回路及液冷板、液冷板支撑、冷却策略等。
图1-3液冷结构示意图
3.4相变混合冷却系统
通过相变材料在相变过程中的潜热在电池升温时来吸收电池的热量，同时减小单体电池之间温度差。如图1-4所示，相变材料冷却方案与液体冷却方案基本类似，冷却效率比液体冷却更高，更能满足快充需求，同时结构紧凑，质量轻。
图1-4相变冷却结构示意图
4.热仿真分析
利用计算机建模进行仿真，既可以在产品开发早期作为主要分析方法，来验证产品设计的合理性，及时发现设计存在的问题和缺陷，提升开发过程中理论水平，并检验产品开发过程是否偏离正确方向；也可以缩短其开发周期、降低开发成本。
4.1产热分析
电池在设定工况下的发热功率是热管理系统设计的一个非常重要的输入参数，在进行热管理系统设计之间需要获得这个参数。获得电池产热功率的方法多种多样，但归根结底都是采用数学建模的方法。下述主要以欧姆法进行描述。
4.1.1欧姆法
最简单的一种建模方法，是将电池简化成一个电阻，如图1-6所示。电池在充放电过程中的产热则可以用欧姆定律来计算，如式（1-1）所示：
（1-1）
式中，为产热功率，W；为通过电池的电流，A；R为电池的直流内阻，Ω。
图1-6电池的电流内阻简化图
4.2热场流场仿真分析
计算流体力学将工程中涉及的流动与传热问题用数学建模进行描述，随后利用数值方法对模型进行了解并得出热场和流场的分布情况，然后对仿真结果进行分析并指导设计。
在常规工况下，电池系统内部的传热和流体流动过程并不是特别复杂，常用的商业软件（如FluenttStarCCM+等）都可以十分精确地仿真出电池系统内部的热场分布和流场分布，如图1-7所示，虽然如此，对流动和传热理论基础的深入理解，仍然保证仿真精度的必要条件。
图1-7电池系统内部热场和流场仿真分析
5.整车水冷系统的组成
对大型客车，电池箱布置一般在5-20箱，液冷循环系统复杂，水路需采用并串联接合方式，以达到更好的散热均温效果。如图1-8所示，整车冷系统包括：压缩机、冷凝器、膨胀阀、管路和换热器、水泵等。
图1-8整车冷却系统示意图
6.结论与展望
对于大型客车PACK方案设计，本文重点从钛酸锂PACK的散热方式及结构、轻量化、大倍率快速充放电方面进行研讨。而PACK的热管理设计和轻量化设计是直接影响电池系统及整车使用寿命及续航里程的一个重要指标，电池系统的续航里程由PACK的能量密度、比能量和比功率所决定；还有一个因素是成本，它同样是电池系统开发过程中一个重要考虑因素，目前电池系统成本偏高，对于电池系统成本需要结合整车开发目前进行分析。但是对于一个全新的电池系统的设计选型评估，除了这些还需要考虑电池在整车中的布置，整车散热系统、热仿真分析、新型传热材料及换热介质材料、PACK在整车电池系统的安装位置等因素。总之通过以上分析电池系统的设计过程中各种因素相互制约，只有在这些因素中找到平衡点才可以得到设计出最佳的电池系统方案。
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