基于N2制冷循環(huán)的新能源汽車智能冷卻系統(tǒng)研究

陳芳蘭 陳一帆 龍澤鏈 黃薪謀 陳文平

文章通過分析新能源汽車高壓電池及其管理系統(tǒng)、電機及其控制系統(tǒng)和電子控制單元的材料結(jié)構(gòu)與工作特性，以目前新能源汽車出現(xiàn)的續(xù)航里程下降和高壓電池自燃事故、高壓控制系統(tǒng)溫度過高導(dǎo)致敏感元器件失效氧化加速、電機內(nèi)磁性材料性能下降等存在的問題為主要突破方向，研究采用以N2制冷循環(huán)為基礎(chǔ)，通過溫度控制、惰性氣體保護等方法，設(shè)計開發(fā)一套新能源汽車智能冷卻系統(tǒng)。

新能源汽車;智能冷卻系統(tǒng);N2制冷循環(huán)

U469.7A471704

0 引言

隨著市場上新能源汽車數(shù)量不斷增長，新能源汽車存在的問題也逐漸顯現(xiàn)。其中新能源汽車的續(xù)航里程下降和高壓電池自燃事故、高壓控制系統(tǒng)溫度過高導(dǎo)致敏感元器件失效、電機內(nèi)磁性材料性能下降和惡劣環(huán)境下的氧化腐蝕等問題較為顯著，這些問題對新能源汽車的推廣使用帶來的主要負面影響，也成為了限制新能源汽車快速發(fā)展的主要原因[1-6]。

當前情況下，解決高壓電池、電機和電控系統(tǒng)的使用壽命問題、能耗問題、價格及安全等問題的主要辦法除了開發(fā)高性能材料外，最重要的是開發(fā)高性能的冷卻系統(tǒng)，保證新能源汽車高壓系統(tǒng)工作環(huán)境的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，防止出現(xiàn)因為惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致電池組早衰、系統(tǒng)氧化、能耗增大、內(nèi)阻增大、敏感元器件失效、電機內(nèi)磁性材料性能下降等問題。因此，要避免高壓電池充放電性能下降、電池過熱甚至高壓電池自燃等現(xiàn)象的發(fā)生，當務(wù)之急需要設(shè)計一款高效安全、廉價易保養(yǎng)、高性能、可應(yīng)用的新能源汽車高壓智能冷卻系統(tǒng)。

1 新能源汽車冷卻系統(tǒng)

1.1 新能源汽車冷卻系統(tǒng)概述

新能源汽車冷卻系統(tǒng)是對純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車在內(nèi)的高壓部件溫度進行控制的主體系統(tǒng)。

當前新能源汽車冷卻系統(tǒng)主要采用風(fēng)冷、液冷等傳統(tǒng)冷卻形式對新能源汽車高壓系統(tǒng)進行冷卻。但由于汽車工作環(huán)境情況多變，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)存在工作效率低和高壓系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題，導(dǎo)致冷卻效果不佳。因此，當前學(xué)術(shù)界對新能源汽車冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在相變材料和多形式冷卻系統(tǒng)的混合使用上，但是受系統(tǒng)質(zhì)量、材料性能、環(huán)境保護性能和價格等各項因素的影響，這些研究都難以在實際應(yīng)用中推廣[5]。

1.2 新能源汽車冷卻系統(tǒng)工作特性

新能源汽車冷卻系統(tǒng)主要作用于對高壓電池及其控制系統(tǒng)、新能源汽車的電子控制系統(tǒng)、電機及其控制系統(tǒng)等部件的溫度控制[7-10]。其主要功能有：

（1）對高壓電池的溫度控制。電池系統(tǒng)是影響新能源汽車市場接受度的核心，溫度過高或者過低都會極大地影響電池系統(tǒng)的循環(huán)使用壽命。通常新能源汽車高壓電池最佳溫度在15 ℃左右，溫度過低會導(dǎo)致電池充放電性能驟降，溫度過高則有可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)出現(xiàn)自燃等風(fēng)險，尤其是夏季，新能源汽車一旦發(fā)生自燃基本無法撲救，這會造成較大的經(jīng)濟損失和社會負面影響。而新能源汽車冷卻系統(tǒng)可以有效保護電池的使用并延長其壽命。

（2）對電子控制系統(tǒng)的溫度控制。新能源汽車電子控制系統(tǒng)主要功能在于能量轉(zhuǎn)換的控制和各器件的傳感器控制等，高發(fā)熱部件的工作溫度通常在40 ℃～85 ℃之間。為了防止溫度過高導(dǎo)致電子元器件失效和電流通過時加速氧化等問題出現(xiàn)，冷卻系統(tǒng)就起到了至關(guān)重要的作用。

（3）對電機及其控制系統(tǒng)的溫度控制。電機及其控制系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)的過程中也會產(chǎn)生較多熱量，需要冷卻系統(tǒng)通過循環(huán)及時帶出，防止溫度過高引起失磁和電子控制系統(tǒng)內(nèi)部電子元器件的失效和氧化。

1.3 新能源汽車冷卻系統(tǒng)循環(huán)特性

新能源汽車冷卻系統(tǒng)的循環(huán)特性決定了冷卻的效果，但當前的新能源汽車冷卻系統(tǒng)通常只考慮了常規(guī)冷卻系統(tǒng)的基本理化特性，如蒸發(fā)壓力、潛熱、臨界溫度、臨界壓力、比容積和密度等方面的物理性質(zhì)和性質(zhì)穩(wěn)定性、腐蝕性、污染性、燃燒性能、爆炸性能、溫室效應(yīng)和臭氧保護等方面的化學(xué)性能。而實際上新能源汽車冷卻系統(tǒng)除了考慮到冷卻循環(huán)系統(tǒng)的冷卻能力、理化性質(zhì)外，還需要考慮冷卻循環(huán)系統(tǒng)的溫度控制的精確性、高效性、安全性、結(jié)構(gòu)件簡便性和安全性等。從溫度控制系統(tǒng)的角度來說，新能源汽車冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵在于制冷劑的選擇[11-12]，這決定了冷卻系統(tǒng)的基本循環(huán)特性，也是冷卻系統(tǒng)性能的主要體現(xiàn)。

2 氮氣制冷循環(huán)特性

2.1 氮氣制冷循環(huán)的基本特點

氮氣制冷循環(huán)是一種常見的制冷循環(huán)，通常應(yīng)用于工業(yè)上低溫深冷工藝，其工作原理與傳統(tǒng)的朗肯制冷循環(huán)一樣，均是通過壓縮液化、冷卻、膨脹汽化吸熱的過程達到制冷的目的。為了研究N2作為制冷劑的特性，我們對比了一種經(jīng)典的制冷劑R22的理化性能，如表1所示。

由表1可知，N2制冷劑和R22制冷劑的壓縮性能相近，臨界壓力N2制冷劑比R22制冷劑小，同時N2制冷劑為氮氣，屬于對環(huán)境、臭氧層等完全無害的廉價氣體。因此，新能源汽車溫度控制系統(tǒng)基于N2制冷循環(huán)相對于傳統(tǒng)制冷循環(huán)主要有以下優(yōu)點：環(huán)保性能好、安全性能好、價格低廉、可用性強。此外氮氣還具有能對汽車冷卻系統(tǒng)元器件進行保護等優(yōu)點[13]。

2.2 氮氣對高壓電池的保護性能

當前新能源汽車高壓電池主要以鋰離子電池為主，而鋰離子電池普遍采用易燃的有機溶液作為電解液、石墨負極和金屬鋰離子等，在使用不當、老化等情況下容易發(fā)生燃燒、冒煙和爆炸等危險。為此，郭君等[1]針對熱失控下環(huán)境體系對鋰離子電池火災(zāi)危險性的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)氮氣對于鋰離子電池熱失控具有一定的保護作用。氮氣環(huán)境在延長電池燃爆響應(yīng)時間、提高電池耐熱極限和降低火災(zāi)擴展危險性等方面有著明顯的作用。

因此，采用惰性氣體氮氣作為制冷劑，對于鋰離子電池的保護主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）實現(xiàn)溫度保護，防止電池工作過程中出現(xiàn)熱聚集、熱失控等危險;（2）當電池模塊內(nèi)部發(fā)生熱失控時，中高壓氮氣可進行噴射降溫甚至滅火，防止發(fā)生自燃的危險;（3）通過氮氣制冷還形成高氮氣的環(huán)境，在減少氧氣的同時還能有效減緩高溫下通電狀態(tài)的電子元器件的氧化過程，有利于系統(tǒng)部件的保護。

3 基于氮氣制冷循環(huán)的新能源汽車智能冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 設(shè)計的基本思路

通過對新能源汽車動力電池、電機和高壓控制系統(tǒng)等的工作時熱負荷特點、工作特性和基本材料結(jié)構(gòu)特性的研究，基于冷卻的基本原理和設(shè)計方法，采用壓縮性能好的廉價惰性氣體N2為制冷劑、隔斷劑和保護劑設(shè)計出的新能源汽車高壓部件冷卻系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：當汽車在工作環(huán)境溫度為-30 ℃～45 ℃之間時，控制電池組模塊溫度≤45 ℃、各模塊溫度之間溫度差≤5 ℃，電池組溫度從-30 ℃加熱到2 ℃的時間≤30 min。電池模塊溫度>200 ℃時電子溫控閥打開，冷卻器與電子控制系統(tǒng)之間的電子溫控閥打開，N2制冷劑進入電池模塊內(nèi)部進行強制冷卻與隔離，同時有效控制電機和電控系統(tǒng)溫度。

3.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)電池系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)等的工作特性、冷卻系統(tǒng)的原理設(shè)計出的新能源汽車高壓部件冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括：壓縮機、冷卻器、膨脹閥、冷卻環(huán)路、靜壓箱、控制模塊、智能溫度傳感器、散熱片、智能電子溫度控制閥等。基本運行結(jié)構(gòu)為：壓縮機的一端連接冷卻器的一端;冷卻器的另一端連接膨脹閥的一端;膨脹閥的另一端連接靜壓箱的一端，靜壓箱的另一端連接冷卻環(huán)路的前端;冷卻環(huán)路的末端連接壓縮機;設(shè)置于靜壓箱;冷卻環(huán)路具有散熱片和電子溫度控制閥;冷卻環(huán)路安裝于電池包，并與電池組并行設(shè)置;溫度傳感器設(shè)置于電池組;壓縮機、靜壓箱、電子溫度控制閥、溫度傳感器分別與控制模塊連接。

該系統(tǒng)中最主要的部件在于電池組模塊智能冷卻結(jié)構(gòu)，其主要載體是高壓電池冷卻環(huán)管，冷卻環(huán)管布置于高壓電池模塊四周：環(huán)路中安裝有智能溫度控制閥，用于高溫下的安全防護，環(huán)路上安裝柔性散熱葉片用于加強冷熱傳遞。

3.3 智能冷卻系統(tǒng)基本工作原理

該系統(tǒng)以廉價的惰性氣體N2為制冷劑及保護和隔斷氣體，在環(huán)境溫度較高的情況下，壓縮機向冷卻器輸送中高壓N2氣體為冷媒，冷媒經(jīng)冷卻器輸送出降溫后的冷媒，降溫后的冷媒經(jīng)膨脹閥輸送出降壓后的低溫冷媒，并經(jīng)膨脹閥輸送至靜壓箱，靜壓箱對冷媒儲存和穩(wěn)壓后輸入電池、電機和電子控制系統(tǒng)進行冷卻;當環(huán)境溫度較低時，則由PTC加熱器為系統(tǒng)溫度控制媒介N2進行加熱為熱媒，同時收集電機和電子控制系統(tǒng)的余熱，經(jīng)過管路與靜壓箱用于加熱電池模塊。

在電池組模塊和電機、電子控制系統(tǒng)內(nèi)部安裝溫度傳感器。溫度傳感器探測電池組溫度，并向控制模塊發(fā)送信號，控制模塊在根據(jù)信號控制靜壓箱向冷卻環(huán)路輸送冷媒或熱媒的同時，啟動壓縮機或者PTC加熱器，系統(tǒng)環(huán)路通入冷媒后對電池組冷卻降溫或升溫，再輸送回壓縮機或者PTC加熱器。

此外，該系統(tǒng)采用電控變流量氣泵進行制冷劑的流動。所述電控變流量氣泵的一端連接靜壓箱，其另一端連接冷卻環(huán)路，電控變流量氣泵分別與溫度傳感器、控制模塊電連接，提高控制精度[13]。

3.4 系統(tǒng)智能化的工作方式

3.4.1 智能化的冷卻過程

智能溫度傳感器探測電池組的溫度，當探測到電池組的溫度>40 ℃時，向控制模塊發(fā)出控制信號，控制模塊根據(jù)該控制信號向靜壓箱發(fā)出控制指令信號，靜壓箱即刻向冷卻環(huán)路輸送氮氣，冷卻環(huán)路通入氮氣后對電池組冷卻降溫，而冷卻環(huán)路上的散熱片輔助對電池包進行冷卻降溫。

3.4.2 智能控制壓縮機工作

智能溫度傳感器探測電池組的溫度，當探測到電池組的溫度<40 ℃時，向控制模塊發(fā)出控制信號，控制模塊根據(jù)該控制信號向靜壓箱發(fā)出控制指令信號，靜壓箱即刻停止向冷卻環(huán)路輸送氮氣，同時壓縮機停止工作。

3.4.3 智能控制高溫

智能溫度傳感器探測系統(tǒng)內(nèi)的溫度，當探測到電池組、電子控制系統(tǒng)內(nèi)的溫度>200 ℃時，向控制模塊發(fā)出控制信號，控制模塊根據(jù)該控制信號向溫度失衡模塊內(nèi)環(huán)管上安裝的電子溫度控制閥發(fā)送控制指令信號，冷卻環(huán)路上的電子溫度控制閥即刻向電池組噴射氮氣，對電池包或者電子控制系統(tǒng)內(nèi)起到緊急降溫的作用防止電池組自燃，同時向車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)出報警信號。如果電池組已經(jīng)發(fā)生自燃，則起到滅火、隔斷燃燒物質(zhì)的作用，冷卻環(huán)路內(nèi)高壓儲氣罐向系統(tǒng)內(nèi)補充氮氣，連續(xù)循環(huán)向電池包輸送氮氣。

3.4.4 智能化電池組加熱

當探測到電池組溫度<2 ℃時，智能溫度傳感器將探測電池組的溫度向控制模塊發(fā)出控制信號，控制模塊根據(jù)該控制信號關(guān)閉壓縮機方向的電子控制閥，打開電機和電子控制單元的電子控制閥，將氮氣經(jīng)過電子控制單元和電機冷卻器加熱后通入靜壓箱，然后通過靜壓箱通入電池系統(tǒng)實現(xiàn)電池系統(tǒng)的溫度提升后流回PTC加熱器[13]。

4 結(jié)語

本研究小組經(jīng)過研究，分析了現(xiàn)有的新能源汽車制冷系統(tǒng)存在的不足，以智能化冷卻系統(tǒng)設(shè)計為出發(fā)點，以N2制冷循環(huán)為基礎(chǔ)，通過溫度控制、惰性氣體保護為基本原理，初步開發(fā)出一套新能源汽車智能冷卻系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)具有溫度控制精確、安全性能高、造價低廉等優(yōu)點，有利于市場的推廣使用。

[1]郭 君，賀元驊，王海斌，等.熱失控下環(huán)境體系對鋰離子電池火災(zāi)危險性的影響[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（8）：1 160-1 164.

[2]譚禮忠.純電動汽車鋰離子電池液冷熱管理系統(tǒng)設(shè)計研究[D].長春：吉林大學(xué)，2018.

[3]楊 洋.純電動汽車鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.

[4]陳 通.純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能研究及優(yōu)化[D].鄭州：中原工學(xué)院，2016.

[5]孔晨露.純電動汽車驅(qū)動與再生制動試驗臺的設(shè)計[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2017.

[6]李曉藝.純電動汽車驅(qū)動電機損耗計算及溫度特性分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[7]曹明偉.純電動汽車電池組被動式液冷散熱系統(tǒng)仿真分析與優(yōu)化[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[8]陳一帆，龍澤鏈，林明松.基于模糊層次分析法的純電動汽車冷卻系統(tǒng)的研究[J].汽車文摘，2021（1）：22-27.

[9]劉中歷.電動汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及風(fēng)道的設(shè)計改進[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[10]婁劉生.新能源汽車冷卻系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化控制的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2018.

[11]張 良.純電動汽車鋰離子電池的熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2017.

[12]陳 晴.我國純電動汽車動力電池專利技術(shù)分析[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2018.

[13]陳一帆，林明松，夏 明.電池熱交換、電機與電子控制單元冷卻裝置及新能源汽車[P].中國：202021646262.2，2021.01.18.