電池包熱管理系統的三種溫控技術

◆文/山東 李子敬

一、概述

電池包(PACK)內的溫度環境對電芯的可靠性、壽命及性能都有很大的影響，因此，使電池包內維持一定的溫度范圍區間就顯得尤其重要，冷卻與加熱是常用的形式，下面將對風冷、液冷、直冷三種冷卻方式進行簡單介紹。

二、風冷

風冷是以低溫空氣為介質，利用熱的對流，降低電池溫度的一種散熱方式，分為自然冷卻和強制冷卻(利用風機等)。該技術利用自然風或風機，配合汽車自帶的蒸發器為電池降溫，系統結構簡單、便于維護，在早期的電動乘用車中應用廣泛，如日產聆風(Nissan Leaf)、起亞Soul EV等，在目前的電動巴士、電動物流車中也被廣泛采納。

風冷的基本原理如圖1所示。該系統為風冷熱泵模塊機組，其工作原理是以壓縮制冷循環為基礎，以制冷劑為載體，通過蒸發器強制換熱，將熱量從大氣中提取或排出，以滿足制冷或制熱的需要。

圖1 風冷原理示意圖

三、液冷

液體冷卻技術通過液體對流換熱，將電池產生的熱量帶走，降低電池溫度。液體介質的換熱系數高、熱容量大、冷卻速度快，對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著。同時，熱管理系統的體積也相對較小。液冷系統形式較為靈活，可將電池單體或模塊沉浸在液體中，也可在電池模塊間設置冷卻通道，或在電池底部采用冷卻板。電池與液體直接接觸時，液體必須保證絕緣(如使用礦物油)，避免短路。同時，對液冷系統的氣密性要求也較高。此外就是機械強度、耐振動性以及壽命要求。液冷是目前許多電動乘用車的優選方案，國內外的典型產品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍達(Volt)、華晨寶馬之諾、吉利帝豪EV等都采用液冷方式。

液冷基本原理如圖2所示。汽車電池包的冷卻系為強制循環水冷系，即利用水泵提高冷卻液的壓力，強制冷卻液在電池包中通過能量交換器循環流動。電池包的液冷系統主要由水泵、電池、能量交換器、水箱、冷凝器等組成。

圖2 液冷基本原理圖

在冷卻系統中，其實有兩個熱循環，一個是冷卻電池包的循環，另一個是電池包加熱循環，該循環需要配備特殊的加熱器。這兩個循環都以電池包為中心，使用同一冷卻液。

四、直冷

直冷(制冷劑直接冷卻)利用制冷劑(R134a等)蒸發吸熱的原理，在整車或電池系統中建立空調系統，將空調系統的蒸發器安裝在電池系統中，制冷劑在蒸發器中蒸發并快速高效地將電池系統的熱量帶走，從而完成對電池系統的冷卻作業，如圖3所示。

圖3 直冷基本原理圖

目前，直冷的冷卻方式基本在電動乘用車上應用，最典型的如寶馬 i3(i3有液冷、直冷兩種冷卻方案)車型。

直冷冷卻的優點在于冷卻效率比液冷高出3～4倍，更能滿足快充需求，結構緊湊，潛在地降低了成本，避免了乙二醇溶液在電池箱體內部的流動等。

直冷制冷由蒸發器進行，蒸發器與電池組的內壁直接接觸以在電池組中進行熱交換。這些蒸發器由S型制冷盤管組成，壓縮機構的冷空氣流經管道，管道溫度很低，通過這些管道間接降低了電池組內壁的溫度，實現了熱交換，逐漸降低了電池組的溫度。當電池組中的空氣遇到低溫電池組的內壁時，其表面會形成霜(霜是水蒸氣的白色晶體，當水蒸氣突然遇到低溫物體時，其表面會冷凝結霜)，這是直接冷卻電池組帶霜的根本原因。電池組在結霜后可由加熱系統自動加熱和移除。