電動汽車外置充電的溫度控制裝置設計

龔益女 劉明旭 王富民

摘要：通過對電池現有的冷卻方式進行對比分析，發現電動汽車仍然存在嚴寒條件下充電慢，炎熱條件下充電時電池過熱所引發的安全問題?；诖?，本文設計了一種使用外置溫度控制裝置，輔助車載熱管理系統調節電池充電時的溫度，提高充電效率。同地保證溫度恒定，從而可靠保證安全問題，有效延長電池的使用壽命。

關鍵詞：電動汽車充電;熱管理;外置溫度控制裝置;溫度調節

0? 引言

近年來，電動汽車在市面上迅速崛起，并有占領未來汽車市場之勢。但因電池使用壽命短、安全性能欠缺等原因制約著電動汽車的普及。雖然一些專家從電池材料、充放電過程、冷卻方式等方面提出多種解決方案，但是，仍存在低溫環境下，電池充電難、充電慢、充電效率低等問題;而在高溫條件下，電池散熱不良，導致充電安全性能下降等問題依然存在。因此，本文設計了一種充電時外置溫度控制裝置，具有輔助電池充電時的溫度調控，即在低溫下輔助加熱、高溫下輔助散熱的功能，并且具有可移動性特點。

1? 電池熱管理系統類型及優缺點

在電池的使用壽命、安全性能及使用成本等問題上，電池的熱管理系統起著決定性作用。過高或過低的溫度都會影響電池性能，也會影響充放電時能量損失。因此電動汽車電池熱管理系統是保證電池安全工作、壽命長短等的關鍵技術之一，也決定電動汽車續駛里程。

1.1 低溫預熱方式

1.1.1 內部加熱方法

電池內部加熱是通過電池自身充放電時產生的熱量對電池進行預熱的方法。Shankar Mohan 采用了一種雙向電流脈沖的預熱方式對鋰電池進行預熱，其中電流的幅值是變化的，以減小極化作用為限制條件，仿真結果表明這種預熱方法能夠減少 20%的電池能量損失。

這種系統的優點是加熱時間短，而且效率高。但其缺點也很明顯，表現在低溫條件下，必須對電池進行充放電，會造成電池的壽命下降，因此，不適合用在電池預熱系統中。

1.1.2 外部加熱方法

電池外部加熱是使用電熱膜、電熱絲或者液體循環管等給電池加熱。王發成等利用電熱絲對電池箱風道進風口的空氣進行加熱，通過空氣循環對電池進行預熱。袁浩等人則采用液體循環管的方式制作了帶有預熱和散熱功能的電池熱管理系統。

這種系統的優點是電池加熱時不會過熱，并且比較安全，電池升溫快。其缺點是給電池預熱時，熱量不均勻，出現局部溫度過高或過低現象，影響電池的壽命。

1.2 電池高溫散熱方式

1.2.1 風冷式散熱方式

風冷式散熱系統是讓空氣流經電池表面帶走動力電池所產生的熱量，達到對動力電池組散熱的目的。風冷式又有自然對流散熱和強制通風散熱兩種方式，動力電池風冷式散熱主要有串聯式和并聯式兩種類型。

這種散熱系統的優點是結構簡單，成本低。其缺點是散熱效果較差，很難達到較高的電池均溫性。

1.2.2 液冷式散熱方式

動力電池的液冷式散熱系統是指制冷劑直接或間接地接觸動力電池，然后通過液態流體的循環流動把電池包內產生的熱量帶走達到散熱效果的散熱系統。

這種系統的優點是散熱均衡，效果較好，噪聲低。其缺點表現在復雜的結構使得整套散熱系統變得笨重，會增加整車的重量，使整車的負擔大大增加。同時，由于其結構的復雜性及高密封性使得液冷系統的維護和保養相對困難，維護成本也相應增加。

1.2.3 制冷劑直接冷卻

直接利用制冷劑蒸發，快速高效地帶走熱量，完成對電池的冷卻。綜上所述，電池熱管理系統的不同方式各有優缺點，而且目前還無法僅靠汽車自身的熱處理系統有效處理電池充電中溫度問題。為了提升電動汽車充電效率，在低溫、高溫充電時有效控制溫度，設計了外置輔助熱處理裝置。

2? 電動汽車充電外置溫度控制裝置設計

2.1 外置充電溫度控制裝置

依據電動汽車外形尺寸不同，該裝置可以設計成一個能夠放入整車底盤下方的長方形板狀結構，以適應不同類型電動汽車充電時使用。為了使該裝置有較廣泛的通用性，根據普遍應用的電動汽車尺寸設計其外觀大小。

在外殼板上設置多個小風扇，其上方是加熱管組。另外，外殼上搭配可拆卸的保溫材料，以滿足電動汽車在低溫環境下熱量不會快速散失，同時避免了頻繁加熱，提高熱量的利用率。使用時外殼扣在電動汽車底盤上。外殼四角上安裝溫度傳感器，溫度傳感器檢測電池充電時的溫度，并將溫度大小送給控制器。該裝置在控制器控制下啟動，根據環境溫度人為選擇散熱或加熱工作模式，再由溫度傳感器反饋的電池溫度信息，決定該裝置是繼續工作還是停止。溫度控制裝置主要組成如圖1所示。

2.2 外置充電溫度控制裝置的組成

該裝置組成主要包括預熱系統、散熱系統、外殼、控制器、檢測元件、保溫隔熱層等。裝置采用電阻絲進行充電時低溫預熱，風扇用來充電高溫散熱。電阻絲預熱區塊中，將電阻絲組放在外殼內，在電阻絲上方安放多個電動風扇，朝向電池方向。布置溫度傳感器，監控電阻絲溫度，防止溫度過高。預熱系統主要由加熱元件及其電路組成，其中加熱元件是最主要的部分，可采用恒定電阻加熱元件如金屬加熱絲組成加熱管加熱方式。散熱系統主要由風扇組及其控制電路組成。這里的風扇不僅是散熱系統的重要組成部分，還可以利用風扇的低速檔，在預熱過程開始時向電池送暖風。

2.3 外置充電溫度控制裝置的工作過程

電動汽車充電時，其最佳充電溫度為25℃。當溫度超過38℃時，拆下保溫材料，裝置上的風扇啟動，對該電池組進行強制散熱;當溫度低于32℃時停止風扇散熱。當處于極寒環境條件時，即電池溫度低于-18℃時，安裝保溫外層，并使用該裝置的電阻加熱系統，并配合低轉速的風扇將熱量送至車輛底盤，對其進行輔助加熱，當電池溫度高于10℃時停止加熱。該裝置的電路示意圖如圖2所示。

2.4 外置充電溫度控制裝置的適用范圍及優點

該裝置主要適用于寒冷地區使用電動汽車的家庭，旨在解決在寒冷環境下給電動汽車充電帶來的問題。同時也可以應用在炎熱的高溫條件下，目的是輔助緩解電池充電時過熱的現象，從而提高充電效率。另外對該裝置進行改裝，與公共充電樁組合，擴大其適用范圍。

該裝置的優點是可移動性，操作簡單，可以有效緩解電動汽車在極端條件下電池充電困難的問題。

3? 結論

對電動汽車電池熱管理系統類型進行了分析，得知，電動汽車車載電池熱管理系統在極端天氣下不能很好調控電池充電過程中溫度，為此設計應用于電動汽車充電過程的外置溫度控制裝置。該裝置形狀小，可以靈活移動，操作簡單，使用方便，具有輔助電動汽車在低溫充電時加熱、高溫時散熱的特點，可以緩解電池充電時效率低的問題，對電池安全性能的提高和使用壽命的延長有一定的幫助。

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