純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)方案研究

紀(jì)云鵬

【摘要】本文分析了純電動(dòng)汽車各熱源部件的散熱要求及工作特點(diǎn)，介紹了幾種目前純電動(dòng)汽車上采用的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并提出了冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)汽車;冷卻系統(tǒng);動(dòng)力電池;驅(qū)動(dòng)電機(jī);電機(jī)控制器

1.概述

純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)主要是對(duì)動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、DC/DC以及車載充電器等多個(gè)電器單元進(jìn)行冷卻。其在輕量化、低能耗、高效率、低成本等方面上的要求與傳統(tǒng)車輛的冷卻系統(tǒng)一致，不同的是純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)針對(duì)的是電器部件，受溫度影響更加明顯，所以對(duì)溫度的控制要求更加精確。同時(shí)，由于純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的電子部件耐受溫度低，整車降噪小，使得純電動(dòng)汽車對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱性能和噪聲的要求較傳動(dòng)車輛更為嚴(yán)格。因此，開(kāi)發(fā)高效可靠的冷卻系統(tǒng)，勢(shì)必成為純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步提高效率，改善續(xù)駛里程的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

目前純電動(dòng)汽車的冷卻系統(tǒng)主要分為兩部分：一是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車輛控制器和DC/DC等部件的冷卻，二是對(duì)供電系統(tǒng)的動(dòng)力電池（鋰電）和車載充電器的冷卻。

動(dòng)力電池的冷卻性能的好壞，直接影響電池的效率，同時(shí)也會(huì)影響到電池壽命和使用安全。動(dòng)力電池冷卻必須滿足如下目標(biāo)：

（1）電池單元的最高溫度Tmax<55℃;

（2）各電池單元體之間的溫差△Tbetw cells ≤5℃;

（3）每個(gè)單體內(nèi)部溫差△Tin cell在5～ 10℃;

（4）電池水冷系統(tǒng)務(wù)必保證內(nèi)部密封性;

（5）系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)滿足整車噪音和節(jié)能目標(biāo)。

在電機(jī)冷卻系統(tǒng)中，由于各冷卻單元集成了大量的電子元器件，其對(duì)溫度的要求也是越低越好，根據(jù)這些電子元器件的耐受溫度的限制，其冷卻系統(tǒng)務(wù)必滿足如下目標(biāo)：

（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度限值：100℃;

（2）電機(jī)/車輛控制器工作溫度限值：90℃;

（3）DC/DC及車載充電器工作溫度限值：90℃;

（4）系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)滿足整車噪音和節(jié)能目標(biāo)。

3.動(dòng)力電池冷卻方案

動(dòng)力電池的冷卻主要有風(fēng)冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式，目前市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車主要以風(fēng)冷為主。風(fēng)冷方式又分為自然冷卻和強(qiáng)制冷卻。制冷劑冷卻方式是直接利用制冷劑對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻，而水冷方式是在制冷劑冷卻基礎(chǔ)上增加了第二冷卻回路，該回路包括電池冷卻器、電動(dòng)水泵和集成在動(dòng)力電池內(nèi)的冷卻板及冷卻框架。這種水冷方式的冷卻效率高，更能夠有效地進(jìn)行電池?zé)峁芾恚瑢?shí)現(xiàn)智能控制，但是其研發(fā)、制造成本高，技術(shù)難度大，相對(duì)而言，風(fēng)冷方式技術(shù)更加成熟，其研發(fā)、制造成本相對(duì)較低，目前被廣泛采用。

3.1 強(qiáng)制風(fēng)冷方案

電池自然風(fēng)冷一般要求動(dòng)力電池本身發(fā)熱量小，且布置空間的空氣流場(chǎng)順暢，而目前國(guó)內(nèi)的電池制造水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到該水平，故目前常見(jiàn)的是強(qiáng)制風(fēng)冷方式。電池強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)主要包括：通風(fēng)道和鼓風(fēng)機(jī)。冷卻空氣主要來(lái)自乘員艙內(nèi)，其原理是將乘員艙內(nèi)的低溫空氣（溫度約為25℃）引入動(dòng)力電池中進(jìn)行冷卻。為了減輕空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，冷卻后約60%的空氣返回到乘員艙內(nèi)，同時(shí)利用電池包內(nèi)的傳感技術(shù)，反饋電池溫度，控制鼓風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，從而減少鼓風(fēng)機(jī)電能的消耗。

依照冷風(fēng)的來(lái)源，有兩種途徑，分別來(lái)自乘員艙內(nèi)和空調(diào)冷風(fēng)通道內(nèi)。引入乘員艙內(nèi)空氣的布置，引入乘員艙內(nèi)冷風(fēng)的入口，可以布置在乘員艙后排乘員座與后檔玻璃之間和后排乘員腳下，也可以布置在前排乘員腳下，具體選擇哪種方式，視車輛的布置而定。而引入來(lái)自空調(diào)冷風(fēng)通道內(nèi)的冷風(fēng)可以從乘員艙前端引入，也可以從乘員艙后端引入。

3.2 制冷劑冷卻方案

制冷劑冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)是空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑。其冷卻原理如圖1所示。空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑經(jīng)過(guò)冷凝器后形成兩個(gè)分支，一路進(jìn)入車輛的蒸發(fā)器用于乘員艙的冷氣供應(yīng)，一路經(jīng)過(guò)膨脹閥后形成低溫低壓液體，用于跟集成在動(dòng)力電池內(nèi)部的制冷劑板進(jìn)行熱交換，把動(dòng)力電池內(nèi)部的熱量帶出，最后從兩個(gè)分支出來(lái)的制冷劑又匯合進(jìn)入壓縮機(jī)，開(kāi)始新一輪的循環(huán)。由于該種方案管路較長(zhǎng)，制冷劑量大，成本也較高，目前采用不多。

圖1 制冷劑冷卻方案

圖2 電池水冷系統(tǒng)

3.3 電池水冷方案

相對(duì)于上述兩種冷卻方式，水冷系統(tǒng)無(wú)論是從技術(shù)研究、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制造、成本還是從技術(shù)性能要求方面上考慮，均高于前兩者，尤其是考慮到電池使用的安全性，對(duì)水冷系統(tǒng)的密封性提出了很高的要求。水冷系統(tǒng)包括：冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥、電池冷卻器、電動(dòng)水泵、電池冷卻板以及電池框架。按照各單元的功能，可將其分為三部分：一是與外界冷空氣熱交換部分，由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和制冷劑組成。主要是利用壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥這一套空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)將制冷劑與外界冷空氣進(jìn)行熱交換形成低溫低壓液體，為與電池冷卻器的熱交換提供冷卻介質(zhì);二是冷卻液循環(huán)單元，由電池冷卻器、冷卻液、電動(dòng)水泵和管路做成。作用是通過(guò)電池冷卻器將制冷劑與冷卻液進(jìn)行熱交換，降低進(jìn)入電池冷卻板內(nèi)的冷卻液的溫度，保證后續(xù)的熱交換過(guò)程中的溫度差，從而達(dá)到傳熱目的;三是電池?zé)峤粨Q單元，由電池冷卻板、冷卻框架和動(dòng)力電池組成。電池冷卻板深入動(dòng)力電池各單元體件，作用是以冷卻液為介質(zhì)，通過(guò)熱交換方式帶走電池工作產(chǎn)生的熱量，達(dá)到冷卻電池的目的。整個(gè)水冷系統(tǒng)的原理如圖2所示。

4.電機(jī)冷卻系統(tǒng)方案

驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力系統(tǒng)控制單元的冷卻一般是集成在一個(gè)冷卻回路內(nèi)，稱為電機(jī)冷卻系統(tǒng)。冷卻方式有自然冷卻和強(qiáng)制水冷兩種，為了提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率，一般采用強(qiáng)制水冷方式。

電機(jī)冷卻系統(tǒng)需要冷卻的單元有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)/車輛控制器、DC/CD及車載充電器。冷卻系統(tǒng)的組成有：散熱器、電動(dòng)水泵、冷卻液循環(huán)回路、冷卻風(fēng)扇、除氣室和水溫傳感器等。按照各被冷卻單元對(duì)溫度要求不同，冷卻系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)水冷系統(tǒng)原理圖

按照電機(jī)、控制器等單元對(duì)溫度的要求，電機(jī)冷卻系統(tǒng)水溫要求如下：

（1）電機(jī)出水溫度≤65℃;

（2）電機(jī)/車輛控制器出水溫度≤60℃;

（3）DC/DC及車載充電器出水溫度≤57℃。

冷卻液循環(huán)管路務(wù)必保證良好的密封性，在常態(tài)下，被冷卻單元的工作溫度越低其效率越高，所以，要求盡量減低被冷卻單元的工作溫度。

5.冷卻系統(tǒng)性能驗(yàn)證和性能評(píng)價(jià)

5.1 性能驗(yàn)證

無(wú)論是電池還是電機(jī)冷卻系統(tǒng)，都必須通過(guò)車輛相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，這就涉及到試驗(yàn)條件、試驗(yàn)要求和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。對(duì)于電池冷卻系統(tǒng)的驗(yàn)證，電池充放電時(shí)的發(fā)熱特性，只要滿足電池放電狀態(tài)下的工作狀態(tài)即可，應(yīng)選擇整車電能消耗最大的工況進(jìn)行考核。而對(duì)于電機(jī)冷卻系統(tǒng)，要研究車輛工況與動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)荷的關(guān)系，這就涉及到車輛的使用工況和動(dòng)力匹配。綜合考慮以上因素，以下工況可供借鑒：

（1）爬坡工況（60km/h，8%坡度）;

（2）高速工況（最高車速，水平路）;

（3）城市工況（0～40km/h（5s）～停車怠速（30s）～啟動(dòng)～40km/h（5s）循環(huán)，加速和減速時(shí)間均為5s，共10各循環(huán)）;

（4）40km/h至最高車速間隔車速勻速行駛，至少4個(gè)車速;

（5）車輛加速工況（0至最高車速）。

5.2 性能評(píng)價(jià)

對(duì)于純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，主要從以下方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：

（1）各控制單元具有故障自診斷和保護(hù)功能;

（2）按照傳統(tǒng)車輛冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)原理，計(jì)算車輛是否滿足要求的使用環(huán)境溫度限值（車輛運(yùn)行環(huán)境溫度限值：-25～45℃）;

（3）考慮冷卻系統(tǒng)是否保證被冷卻單元是否處于最佳的運(yùn)行溫度，以保證其處于最佳的工作效率;

（4）冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行在滿足要求的同時(shí)要求各部件的能耗和噪音滿足政策和要求;

（5）滿足使用壽命和可靠性要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李正秋.燃料電池汽車整車熱管理方案研究[D].上海：上海汽車股份有限公司技術(shù)中心，2008.

[2]蔣光福.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱特性研究[J].汽車科技， 2006.