混合电动汽车顶置储能系统装置的布置及冷却

第 5期 客 车 技 术 与 研 究 BUS TECHN0L0GY AND RESEARCH 混合电动汽车顶置储髓系统装置的布置及冷却 李广汉 (南车时代电动汽车股份有 限公司，湖南 株洲 412007) 摘 要：针对混合 电动汽车储能 系统装置布置困难，介绍一种储能系统装置车顶布置的形式及其冷 却 方式 。 关键词 ：混合 电动汽车；储能系统装置；车顶布置；冷却方式 中图分类号：U467；U463．85 文献标识码：B 文章编号：1006-3331(2010)05—0039-03 Abstract：To solve the layout problem of hybrid electric vehicle S energy storage system，a new layout method and cooling mode of the energy storage system on the roof is introduced． Key words：hybrid electric vehicle；energy storage system；roof layout；cooling mode 混合动力客车是在传统客车的基础上增加了电驱 动系统，实现两套系统的有机结合， 达到节能减排的 效果。同时由于受车身结构的限制 ，要在传统客车的 基础上增加电驱动系统 、电控制系统、储能系统 (超 级电容 )等，尤其是储能系统对防水、防尘、绝缘、 维护检修、散热有很高的要求，这对总布置增加了难 度。在受空间的限制下 ，合理布置储能系统 ，满足储能 系统对防水、防尘、绝缘、维护检修、散热的要求， 是混合动力客车储能系统的布置需要解决的问题。 1 储能系统装置的布置形式及其缺点 1)储能系统装置有三种布置形式 ，分别见图1～ 图3 图1 储能系统装置布置在车身两侧舱内 — 。 。 。 。 ‘ — — — 一 ／ J — ／ 储能系 l A—A／ n ■_ —T／ II 苛 Inl由— 岛 ／ J ／ 』 l — — 斗 — — I I =4 ≠ 图2 储能系统装置布置在车内后五人台地板上 图3 储能系统装置布置在车顶 2)三种布置形式的特点 ： ①图1储能系统装置布置在车身两侧舱内：由于车 身结构限制 ，储能系统装置舱高出地板平面 ，车内地 板形成倒Q结构，影响乘客站立空间，只能采用三级 踏步布置，无法满足如低地板、低人口客车的布置； 车辆在涉水状态时 ，舱内会进水 ，不利于储能系统的 防水。 ②图2储能系统布置在车内：不利于车内空间充分 利用，减少乘客座椅布置；因超级电容有486 V(DC) 额定高压 ，虽然做了绝缘防护处理及高压警示标示 ， 但置于乘客 区内，难免有些乘客不遵守规则 ，存在高 压触电或漏电安全隐患 ；存在线路短路引起着火安全 隐患，降低了车内安全系数。 ③图3储能系统装置布置在车顶：受太阳强辐射的 影响，储能系统装置内产生很高的积温，散热困难， 降低了储能系统性能及使用寿命 ；储能装置总重300 kg，高度400 iTlln，使整车重心升高，车顶骨架需要加 强，增加整车重量 ，但 同~LCNG、LPG等燃料混合动 客 车 技 术 与 研 究 2010年 10月 力车的顶置钢瓶的重量，储能装置要轻得多 ，增加高 度相当，因此，不存在强度与整车重心升高产生侧倾 等安全隐患。 2 冷却方式的总体思路 基于以上情况，储能系统装置布置在车顶不受车 身结构限制，不影响车内空间利用，不仔在安全隐 患，是一种最佳的布置形式 ，因此，我公 司针对混合 动力客车顶置储能系统装置冷却方式进行了技术攻关。 目前储能系统装置布置在车顶的案例不多，从国 内来说 ，我公司是国内目前为数甚少的从事混合动力 客车研究的单位，因此 ，在国内无法获得相关的技术 及经验 ；从 国外来说 ，使用超级电容作为储能系统的 混合动力车目前仍处在试用阶段，信息相对封锁，同 时由于其尚未进入批量使用，进度尚落后于我国，因 此，同样无法获得更多的技术及经验。 储能系统装置布置在车顶，常用的冷却方式是将 储能系统放置在由一种导热系数差的材料制作的外罩 内，采用电子风扇强排风的冷却方式 ，或引用空调风 或采用压缩气体或采用水冷等冷却方式，我公司开始 是采用电子风扇强排风的冷却方式，通过试验发现冷 却效果不是很理想，需要通过加大数倍电子风扇功率 或引用空调风或采用压缩气体或采用水冷等冷却方 式，但采用这些方式势必会增加整车能耗。 我公司通过一种外墙反射隔热涂料广泛在建筑、 石化、化工等贮罐面及输送管道、设备、容器等的 车行驶方向 1 外表面的应用受到启发 。采取了一种反射 、隔断、强 排的综合治理的冷却方式 ，取得了非常好的冷却效 果 。在不增加整车能耗的基础上 ，解决了储能系统装 置因受太阳强辐射影响 ，产生很高积温，散热困难的 技术难题。 1)通过在车顶和储能系统外罩表面喷涂一种有效 防腐 、高效降温 、耐候性强的反射涂料面漆 ，对太阳 的可见光及红外光高能量光谱具有很强的反射能力， 使储能系统装置罩外表面吸收的太阳辐射能量减少， 直接把热量阻隔在储能系统装置罩之外 ，从而大大降 低储能系统装置罩外表面接触温度。 2)在储能系统装置罩内表面贴一层25 mm厚的隔 热材料对储能系统装置罩外表面接触温度进一步衰 减，从而使储能系统装置放置在一个接近环境温度的 空间内，储能系统装置罩外表面的积温不再对储能系 统装置产生热影响。 3)在储能系统装置出风口与玻璃钢外罩防水叶片 出风口之间连接排风管道，使玻璃钢外罩内不形成冷 热风内循环，直接将热风排出。 4)将储能系统单体间隔l0～20 mm布置在金属风 道内，车辆行驶风通过进风 口，进入玻璃钢外罩内， 在出风口安装冷却电子风扇强排风，从而在玻璃钢外 罩内、金属风道、连接排风管道内形成风冷式冷却循 环系统 ，带走储能系统在工作过程中产生的大热量 ， 进行冷热置换，达到冷却效果。 冷却方式的原理图见图4。 1一在储能系统装置外表而喷反射涂料，反射外界环境高温及强太阳光中红外线的辐射；2-在储能系统装置罩内表面贴25 mm 纳能超效隔热材料，进一步衰减储能系统装置外表面接触温度；3-3 lllm玻璃钢外罩 ；4-连接管道；5-防水叶片出风口； 6一风冷循环带走储能系统在T作过程中产生的大热量，达到冷却效果；7-金属管道；8-电子风角； 9一在储能系统装置底部铺25 mm纳能超效隔热材料，避免车顶热桥效应对储能系统的影响；10一储能系统内置在金属风道内； l1一车顶喷涂反射涂料，避免车顶热桥效应对储能系统的影响；12一Ⅱ级排水 L；1 3一I防水H十片进风口 图4 冷却方式原理图 3 实验对比测试与 1)测试仪器 ：BY8126A数显温度传感器，FLUKE Ti25热成像仪，仪表显示屏。 2)测试条件：在环境温度34—38．4"12范围内，强 第5期 李J 汉：混合电动汽车顶置储能系统装置的布置及冷却 4l 太阳辐射下。 3)车辆状态 ：储能系统装置外罩表面喷普通油漆 与喷反射涂料面漆两种状态对比。 4)测试过程： ①车辆驻车4 h，储能系统装置冷却电子风扇为关 闭状态 ，频次1次／30 rain，通过 FLUKE Ti25热成像仪 采 集 静 态 储 能 系 统 装 置 外 罩 表 面 积 温 ；通 过 BY8126A数显温度传感器读取静态储能系统装置布点 单体电容上 、下表面温度 ；通过仪表显示屏渎取静态 储能系统装置单体电容内部温度。 ②车辆在模拟公交运行工况．运行3 h，每个停车 站点模拟公交运行状态进行驻车制动，储能系统装置 冷却电子风扇为开启状态，频次l~d3o min，通过BY8126A 数显温度传感器读取动态储能系统装置布点单体电容 上、下表面的温度；通过仪表显示屏读取动态储能系 统装置单体电容内部温度。 5)采集数据 ，见表1。 表1 车辆在模拟公交运行工况采集的6组数据的平均值 测试点平均 平均环境 同比环境温 状态 测试点 温度， 温度，℃ 度的温升，K 常用 驻车 储能系统单体外表面 41．0 2．6 38．4 — 的冷 储能系统单体面内部 40．2 1．8 却方 储能系统单体外表而 41 ．85 3．25 式 行驶 38．6 储能系统 体面内部 49 8 l1I2 综合 驻车 储能系统单体外表面 34．3 —4．1 治理 储能系统单体而内部 32 ．8 38．4 - 5．6 的冷 却方 储能系统单体外表而 37．84 一2．16 式 行驶 40．o 储能系统单体 面内部 45．2 5．2 表1)~J6组数据的平均值，可以分析得出顶置储能 系统装置通过一种反射 、隔断、强排的综合治理 的冷 却方式 ，储能系统单体外表面温度在车辆驻车与行驶 工况下已控制在小于室外环境温度，温升 ≤5 K，储能 系统单体面内部温度最高值稳定在46 以下，隔热温 差衰减非常明显，储能系统的工作温度指单体外表面 温度，标定值一10～40~C，超出标定值范围，每升高或 降低1 储能系统性能及使用寿命呈线性衰减。通过计 算，储能系统的工作温度相对室外环境温度的温升控 制在≤5 K，可满足使用寿命 >6年。因此 ，该冷却方 式能满足储能系统对T作温度的要求，提高储能系统 性能及使用寿命是切实可行的。 4 结束语 为了有效利用车内宅间 ，不受车身结构限制，未 来车载储能系统装置顶置是发展趋势。在储能系统装 置外罩喷涂一种反射涂料面漆进行主动反射隔热，采 用超效纳能隔热材料进行主动阻隔热能，通过电子风 扇强排风进行冷热置换等综合治理 ，在不增加整 车能耗的前提下，解决了顶置车载储能系统散热的关 键技术瓶颈 ；同时为整车车顶的隔热降温提供了新的 思路。混合动力汽车除在传统燃油车动力系统基础上 辅加电驱动系统来达到节能减排外 ，还要结合整车轻 量化 、整车空气流动学 、整车隔热等综合措施进行节 能减排。通过TEG6121SHEV客车顶置储能系统隔热方 式技术改进及试验测试结果表明，可以将隔热方法应 用到客车车顶的隔热降温，通过该种反射涂料面漆使 车顶表面吸收的太阳辐射能量减少，降低车内温度， 从而控制空调温度，减少空调的使用率，大大降低电 能消耗 ，达到节能减排的效果。 参考文献： [1】JGfF 235—2008，建筑反射隔热涂料一r业行业 ． I7l2 周荣，岳 来．电动车辆动力电池包的冷却装置：中国， 1 01442 l 47[P]．2009—05—27． 杜兰，周荣，乔维高．电动汽车电池包散热加热[J1． 北京汽车，2010，(1) 【4】拿韶杰．超级电容器蓄电池混合电源性能研究【JJ．电源技 术，2010，(6) [51李革臣，许玉林，莆明，等．电动车用动力电池组散热装置： 中闰，201336342[P]．2009—10—28． f61张彬，刘君．穆世霞．超级电容器串联技术的研究『J1．电气 技术，2009，f9) l71张辉，尹安东．赵韩．基于超级电容的并联式混合动力公交 车研究[J1．汽车科技，2010，(3) 【8】邓隆阳，黄海燕 卢兰光，等．超级 电容性能试验与建模研 究【JJ．车用发动机，2010，(1) 修改稿 日期：2010—08—03