动力锂电池保温方法的研究

李 兵，丁延松，王宇雨，雷 超

(安徽安凯汽车股份有限公司，合肥 230051)

很大程度上动力电池的性能决定了电动汽车的性能。锂离子电池与传统可充电电池相比较，具有工作电压高、比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点。因此,已成为近几年电动汽车应用最广的动力电池[1-3]。

锂电池虽有上述优点，但缺点也是显而易见的。如在低温时，其电化学性能不好；在高温时，其一致性变差[4-5]。一般认为动力锂电池的正常工作温度范围为0～60 ℃。目前动力锂电池的低温解决方案通常采用加热法，但此方法故障较多，且不安全。而对动力锂电池保温是一种安全、经济的低温解决方案。动力锂电池冷却方式一般采用自然通风和强制液冷[6]。

由于该设计方案是针对中国北方市场，即使在夏季使用电池，温度也很难达到60 ℃，采用自然通风冷却即能满足电池散热需求。因此，本文主要研究锂电池的保温方法。

1 动力锂电池的保温设计

锂电池的保温方法，目前主要采用在电池箱外面覆盖保温被，即在电池箱表面覆盖厚度为15 mm的丝绵被。该方法虽然在前期车辆制造时操作简单，但不能覆盖到电池箱体底部。因此，保温不均匀，易造成局部温差较大。本文针对某款10.5 m纯电动城市客车，采用聚氨酯对动力电池舱立面和底面进行发泡，同时在发泡层、电池舱上部和电池舱门敷设隔热防火材料的保温方法，并研究其保温效果。其动力锂电池的局部装配方式如图1所示。

图1 动力电池箱装配的局部视图

在电池舱的前立柱前面、后立柱后面以及电池舱底部下侧焊接蒙皮，在蒙皮内部用聚氨酯进行发泡，使发泡层位于电池舱内部，然后在发泡层表面和电池舱顶部敷设一层厚度为5 mm的隔热防火材料。聚氨酯的传热系数为0.506 W/(m2·K)，隔热防火材料的传热系数为0.453 W/(m2·K)。其耐火性能参数分别为：试样燃烧热释放量达到0.2 MJ时的燃烧增长率指数FIGRA0.2 MJ等于0 W/s，火焰在试样长翼上的横向传播状态LFS小于试样边缘，试样受火于主燃烧器最初600 s内的总热释放量THR600 s等于0.009 MJ，满足现行电池舱防火的国标要求[7]。

在电池舱门上设置防水格栅，并在舱门内侧敷设一层厚度为5 mm的隔热防火材料。该隔热防火材料采用活动式敷设方式，即在夏天能够将其去掉，通过格栅自然通风散热；在冬季又将隔热防火材料重新敷设上，起到保温隔热作用。

2 保温试验及结果分析

2.1 试验方法

将安装上述保温设计的动力锂电池的某款10.5 m纯电动城市客车放在环境舱内进行低温试验，观察动力锂电池的降温速率，研究电池舱的保温效果。具体试验方法如下：将环境舱从初始温度为15 ℃时开始降温，降温速率为0.64 ℃/min。当环境舱的温度降低到-33 ℃时开始计时和记录，在保温的3 h中，每15 min记录一次动力锂电池的温度变化。在保温期间，环境舱的温度始终维持在-33 ℃，偏差为±1 ℃。动力锂电池的初始最高和最低温度分别为14 ℃、12 ℃，环境舱刚好降到-33 ℃时动力锂电池的最高和最低温度分别为13 ℃、11 ℃。

2.2 试验结果与分析

环境舱为-33 ℃条件下，3 h内动力锂电池的温度记录见表1。从中可以得出，在保温的3 h内,动力锂电池的最高温度降低了6 ℃，最低温度降低了4.5 ℃。因此，动力锂电池的最大降温速率为每小时降低2 ℃。采用在电池箱外面覆盖15 mm丝绵被的传统保温方法，在上述同样条件下进行保温试验，最大降温速率为每小时降低3 ℃。

在实际工程中，如我国北方市场在冬季-30 ℃低温条件下，电动客车在白天持续运营14 h(早上6∶00至晚上20∶00运营)，电动客车在持续使用过程中，由于放电产生热量，因此动力锂电池一般能够维持在25 ℃左右的较高温度，晚上停止运营10 h。若不对车辆进行充电，动力锂电池的温度会持续下降。如果车辆电池舱采用本文所述的保温方法对电池进行保温，在10 h内，电池的平均温度约降低20 ℃，此时动力锂电池温度还有5 ℃左右。根据现有锂电池的特性，能够进行正常的充电或放电，也就是能够进行正常的充电和行车。若晚上车辆在停止运营时进行充电，由于充电时会产生热量，动力锂电池降温效果会受到部分抵消，其最终温度会高于5 ℃，完全能够满足车辆正常使用。因此，该动力锂电池的保温方法是一种简单、安全、有效的热管理方法。

表1 环境舱为-33 ℃条件下，3 h内动力锂电池的温度记录表

3 结束语

动力锂电池的低温解决方案的措施较多，各有其优、缺点，目前还处在不断探索和优化中。本文介绍的动力锂电池的保温方法，是一种简单、安全、有效的动力锂电池低温解决方案，非常适合用于我国北方电动车市场。