商用新能源汽車電池熱管理系統運用

＊陳旭斌

（寧德時代新能源科技股份有限公司 福建 352100）

1.新能源汽車的發展

全球污染嚴重，溫度上升，威脅著人類的生命安全。因此，降低碳排放是全世界各國人民的心聲也是各國目前亟需解決的事情。對于汽車行業，傳統汽車受到不可再生資源石油的影響越來越大，能源問題對于社會的可持續發展產生深遠的影響，汽車尾氣不僅對環境有持續的污染，也時刻影響著人類的身體健康。為了應對資源的枯竭并改善環境，各個國家和企業逐步投入新能源的領域。目前，中國大力倡導發展新能源汽車，而且發展迅速，技術更新迭代時間縮短，逐漸刷新歷史。由燃油車時代進入新能源汽車時代，中國走到世界前列，創造了一個新生市場。

自2021年起，新能源商用車產銷量迎來質的飛躍。市場由單純的政策驅動向政策疊加創新模式驅動轉變，車型品系更豐富，換電與充電并進。長期來看，新能源商用車將隨技術和規模發展迎來成本和技術驅動階段。

根據中協會的統計數據，表1顯示，新能源商用車銷量在近三年處于上升趨勢。其中2020年產銷量存在一定下滑。但在2021年新能源商用車的產銷量較2020年相比增幅較大，其中新能源卡車（含新能源重卡、輕卡、微卡和皮卡）占比31%，累計銷售4.9817萬輛，同比（2020年新能源卡車累計銷售19224輛）增長159.1%，增幅較大。

表1 2019—2021年近三年新能源商用車產銷量統計表

2.新能源汽車電池熱管理的必要性

自從新能源汽車量產以來，銷量逐年上升。動力電池作為純電動汽車的動力能源存儲單元，其單位質量下所能存儲的電量大小，使用壽命周期的長短，安全性和可靠性均與電動車的各項性能有著密切關系。鋰離子動力電池的充放電倍率、循環使用壽命和安全可靠性等特性對于溫度的敏感性較高，在適宜的環境溫度下鋰離子電池的各項性能才能發揮出來并且在長時間內能夠保持相對穩定的工作狀態。有研究表明、鋰離子電池的最佳工作溫度范國在25℃到40℃，并且單體電池間的溫差需要小于5℃[1]，這就給電池的均一性提出了更高的要求。溫度過高或過低都會降低電池的性能，影響電池壽命。純電動汽車作為龐大的電量輸出物需要耗費巨大的電量，而電動車為了提高續航能力，電池包通常由上百個鋰離子單體電池串并聯組成。現有研究表明，電池的材料性能和內部結構的特性差異會導致電池內部產熱和傳熱產生差異性，在電池實際的工作狀態中，電池的表面和內部的溫度場的分布不均勻，在極端充放電的工況下，溫度的不均勻現象會放大數倍。導致電池包的內部不同位置的溫差增大，影響電池包的各項性能指標[2]。再者，在能量輸入和輸出的時候，電池會產生大量的熱量，若熱量不能及時散發掉，有可能導致熱失控，嚴重的情況下甚至發生爆炸引起火災，威助人們的生命財產安全[3]。因此，給電池提供一個良好的工作環境，保持其適宜的工作環境溫度，這就要求動力電池具備高效穩定、精準并快速響應等特性的電池包熱管理系統。

3.新能源汽車電池熱管理系統發展歷程

在2018年前，國內商用車和乘用車鋰離子電池主流熱管理系統為自然冷卻，自然冷卻電池包中的電芯通過自身結構及其傳熱路徑將電芯工作過程產生的熱量散發到外界環境，該方案具有結構系統簡單、成本低等優勢，但其缺乏電池溫度主動熱管理措施，其電池冷卻性能受限較大，隨著客戶對新能源汽車充電時間和適用環境的需求逐漸提升，自然冷卻電池包已無法滿足上述需求。常見的客戶抱怨有充電時間過長、夏季開車過程出現高溫報警、電池壽命衰減嚴重等問題。隨著新能源汽車運行年限增加，電池續航里程明顯降低。部分整車廠為了克服上述困難，試圖通過采取增加電池配電量的方式，以降低相同行車工況下的電池工作電流，進而降低電池升溫。但此方案嚴重增加了整車成本，在市場推廣時受限極大。因此如何開發一款適用于新能源汽車的熱管理系統顯得十分必要和緊迫。在此背景下，2018年后國內各大新能源汽車廠相繼推出了帶電池液冷系統的車型，以滿足市場客戶對高溫環境下大功率行車及電池續航里程衰減小的需求。

4.鋰離子電池不同熱管理系統傳熱性能差異

新能源汽車電池散熱主要為熱傳導，熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分[4]，傳熱過程遵循傅里葉（Fourier）定律，電池自身在工作過程中產生的熱量通過熱傳導的形勢傳遞至外界環境，傳熱方程如下：

式中，C：電池比熱容（J/(kg·K)）；

m：電池質量（kg）；

△T：電池溫度溫升（K）；

Q：電池產熱量（J）；

h：傳熱系數（W/(m2·K)）；

A：換熱面積（m2）；

Tcell：電池溫度（K）；

T冷卻介質：熱管理系統冷卻介質溫度（K）。

不同電池熱管理系統對應的換熱系數如表2所示，可發現電池液冷方式在換熱性能方面遠高于其它兩種電池熱管理方案、呈現出數量級的差異。電池液冷系統在性能上的優勢逐漸顯現出來并得到市場認可。近年來，國內新能源汽車鋰離子電池熱管理方案也從自然冷卻方案迭代到液冷方案。

表2 不同電池冷卻方式換熱系數對比

5.商用車電池熱管理系統發展

早期鋰離子動力電池開始被運用到商用車時，整車對鋰離子動力電池的需求更多的是希望動力電池以整包的形式被裝配到整車后能直接使用，盡可能減少整車和鋰離子動力電池系統的集成工作，降低新能源汽車與動力電池集成技術難度，以降低開發風險和周期，商用車動力電池風冷和液冷系統在早期推廣阻力極大。

隨著客戶對動力電池使用性能的要求逐步提升，動力電池需要提供更大的充電倍率以縮短充電時間，動力電池需要輸出更大的工作電流和每天工作循環次數以控制整車動力電池成本。早期在技術探究階段，風冷動力電池系統由于其具備一定的冷卻性能、成本相對液冷系統低和無冷卻液泄露風險等優勢被市場作為動力電池熱管理可行性研究方向之一。但由于商用車動力電池為多電箱分散式的布置形式，風冷動力電池對整車熱管理空調系統送風結構、回風結構、分流結構設計提出了極高要求，對應需的產品開發周期也相對較長，無法滿足商用車訂單式開發模式。

液冷動力電池系統相對風冷系統受整車電池布置位置垂直方向高度、水平方向距離和布置環境溫度等邊界條件影響較小，液冷系統電池包對整車空調系統的需求主要為電池包冷卻液入口流量和溫度。整車電池包空間布置差異主要影響整車電池熱管理液冷系統到電池入口的管路長度，而整車液冷系統到電池包的連接管路長度差異對各支路流量分配差異影響較小。以某典型商用10m車動力電池液冷系統設計為例，該車型冷卻液回路分為4條分支路，每條分支路串聯3個電池包，電池包分散布置在車輛頂部、車身兩側和車輛尾艙。通過分析得出上述整車動力電池空間布置差異在單支路電池包冷卻液平均流量為600L/h的情況下，最終對各分支路流量分配影響＜30L/h。

動力電池液冷系統由于其具有良好的冷卻效果和較強的環境適應能力等優勢被用于解決動力電池在市場運用過程中遇到的高倍率充電和放電使用需求。以重型卡車為例，車輛一天行駛所消耗的電量為車輛配置電量的2到3倍，車輛一天需要行駛約12h。在此嚴苛的工作條件下，新能源汽車動力電池持續工作并產生熱量，為保證新能源汽車動力電池能夠穩定運行，需要整車熱管理系統將動力電池產生的熱量第一時間傳遞至外界環境，以保證電池具備良好的工作溫度。

6.商用車電池熱管理液冷系統方案

整車為動力電池提供制冷量的空調液冷系統方案分為獨立式和集成式，獨立式液冷機組是專門為電池系統定制開發的液冷機組，專門用于電池系統散熱，獨立式液冷機組中包含壓縮機、冷凝器、風扇、蒸發器、膨脹閥和水泵等完整的空調系統元器件。集成式液冷系統是將整車乘客艙空調與電池冷卻模塊集成，在原有整車空調系統中并聯電池冷卻回路，并聯回路中包含板式換熱器、膨脹閥和水泵等部件。集成式液冷系統收到電池系統請求制冷時，整車空調系統中的電池冷卻回路啟動工作，整車空調通過系統中的循環冷媒將電池回路中的熱量通過冷凝器散熱至外界環境。

接下來從性能和成本角度分析兩種方案的優劣勢。車輛行駛階段集成式液冷系統在夏季不影響乘客艙空調使用的情況下可提供給電池液冷系統的制冷功率相對有限，通常為3kW到5kW制冷功率。車輛充電階段整車空調系統中的乘客艙空調無制冷需求，整車空調系統將原有乘客艙區域制冷功率轉移至動力電池液冷系統，因此集成式液冷系統在充電階段可為動力電池提供相對充足的制冷功率，通常可提供超過12kW的制冷功率。而獨立式液冷系統是為動力電池散熱而專門配置的熱管理系統，其可在充電和行車放電階段為動力電池提供穩定的制冷功率，國內市場常見的為8kW獨立式液冷系統。

集成式液冷機組在乘客艙空調基礎上增加并聯支路，增加了水泵、板換、膨脹閥等部件，其成本相比獨立式液冷機組具有較大優勢，以市場廣泛運用的8kW獨立式液冷機組和10米大巴車集成液冷系統為例，集成式液冷系統為提供電池制冷量而增加的并聯支路成本約為獨立式液冷系統的20%到28%。

表3 集成式與獨立式液冷系統制冷功率與成本對比

基于上述兩種熱管理系統在行車放電和充電階段所具備的制冷功率，可得出集成式液冷機組適用于制冷量需求較低的低倍率放電運用場景，而獨立式液冷機組適用于制冷量需求較大的高倍率放電運用場景。當前商用車模塊運用液冷系統的車型主要為大巴車、重卡、和工程機械。從電池工作過程的需求制冷量來分析，大巴車行車倍率相對較小，在電池滿電量情況下至少可連續行車4h。重卡和工程機械由于使用工況較惡劣，在電池滿電量情況下僅能連續行車2～3h。從整車原有空調配置來分析，重卡與工程機械空調系統只需給駕駛艙提供制冷量，其制冷功率相對較小，通常為4kW到5kW，而行車階段需要提供給電池系統的制冷量至少為8kW，因此在原有乘客艙空調系統中新增電池冷卻并聯支路需要的變動量較大，需要更換原有空調系統的壓縮機、冷凝器等部件以滿足電池冷卻需求。而大巴車原有乘客艙制冷量需求通常為14～22kW，不同長度車型因乘客艙空間差異而對應的制冷量需求量不同，整車空調系統并聯電池液冷系統需要新增的制冷功率為3～5kW，該制冷功率增加對原有空調系統改動量相對較小，電池系統所需要的制冷量可通過壓縮機轉速和軟件策略優化來實現。綜上所述，集成式液冷系統適用于大巴車型電池系統冷卻，而獨立式液冷系統適用于重卡和工程師機械車型的電池系統冷卻。據統計，獨立式液冷機組在重卡和工程機械車型的市場占有率已超過95%，獨立式液冷機組已成為重卡和工程機械主流的電池冷卻系統。集成式空調由于其成本具有絕對優勢，并且可滿足大巴車型電池系統日常的運行工況制冷功率需求，在國內市場廣泛運用于大巴車型動力電池冷卻。據統計，集成式液冷機組在大巴車型的市場占有率已超過90%，集成式液冷機組已成為大巴車型主流的動力電池冷卻系統。

表4 各車型主流電池液冷系統及其市場占比

7.總結

隨著動力電池在商用車領域的廣泛運用，且市場對動力電池使用壽命和充放電性能的需求逐浙提升，液冷系統由于其具有更好的抗整車環境和空間布置干擾性得到了市場的廣泛運用。集成式液冷機組由于其成本優勢且可滿足低倍率放電工況需求，被廣泛運用于大巴車型動力電池冷卻，市場占比已超過90%。重卡與工程機械車型由于其動力電池行車階段放電倍率較高，冷卻功率需求較大，獨立式液冷系統被廣泛運用于重卡與工程機械車型的動力電池冷卻，市場占比已超過95%。