新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)淺析

陳永紅　何林鍵

摘 要：近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車的技術(shù)發(fā)展也越來越成熟，在外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境的推動(dòng)下，新能源汽車市場規(guī)模也逐漸增大。電池作為新能源汽車中最重要的零部件，它的壽命和使用效率決定了汽車使用性能。其中對(duì)電池壽命影響重要因素之一就是它的工作溫度，為了使電池始終處于一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)，電池的熱管理技術(shù)就顯得尤為重要。本文就新能源汽車電池的熱管理系統(tǒng)技術(shù)展開分析。

關(guān)鍵詞：熱管理 新能源汽車 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

1 引言

新能源汽車在國家政策的支持下，在面對(duì)傳統(tǒng)能源枯竭的情況下，發(fā)展得越來越迅速，越來越成熟。根據(jù)中國汽車報(bào)數(shù)據(jù)顯示，2022年底，中國汽車市場新能源汽車連連創(chuàng)歷史新高，1-11月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成625.3萬量和606.7萬量，同比均增長1倍，市場占有率達(dá)25%，均創(chuàng)下歷史新高。在市場需求不斷增加得情況下，對(duì)產(chǎn)品的可靠性也提出了更高要求。電池作為新能源汽車最關(guān)鍵的零部件，它的使用耐久性和續(xù)航能力更是用戶最關(guān)注的問題，而電池的熱管理是影響電池使用壽命和低溫續(xù)航能力的重要技術(shù)之一[2]。

2 新能源整車熱管理

2.1 整車熱管理組成

新能源車型的冷卻系統(tǒng)一般由三個(gè)部分組成：電池冷卻循環(huán)系統(tǒng)、電機(jī)電控冷卻循環(huán)系統(tǒng)、空調(diào)暖風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)。而PHEV車型的還多一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)。電池循環(huán)系統(tǒng)主要為電池加熱或冷卻，電機(jī)循環(huán)系統(tǒng)主要冷卻驅(qū)動(dòng)電機(jī)和CIDD（驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器），空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)主要給乘員艙加熱或制冷。主要涉及的功能部件有電子水泵、三通電磁閥、兩通電磁閥、PTC、熱交換器、液氣分離器、散熱器、膨脹水壺、冷卻管路以及各種固定支架等[5]。以電子水泵為動(dòng)力源，冷卻液為介質(zhì)，電磁閥控制流向，使冷卻介質(zhì)沿著管路流經(jīng)散熱器、被冷卻體，通過熱量交換從而進(jìn)行散熱降溫，使功能件的工作溫度始終保持在一個(gè)理想工作范圍內(nèi)，使其性能最大化。不管是純電動(dòng)車型還是混合動(dòng)力車型，電池?zé)峁芾硌h(huán)回路都是獨(dú)立于其他系統(tǒng)，主要原因是電池包的正常工作溫度范圍與其他系統(tǒng)相差較大。電池包的工作溫度一般情況不允許超過35℃，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)則經(jīng)常工作在55℃左右，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度范圍則在95℃左右，因此各回路必須分別獨(dú)立運(yùn)行。

2.2 與傳統(tǒng)汽車熱管理的差異

傳統(tǒng)汽車的熱管理單一，沒有復(fù)雜的控制和零部件系統(tǒng)，它的目標(biāo)只需要保證發(fā)動(dòng)機(jī)溫度始終工作在一個(gè)理想的范圍，而為乘員艙提供需要的熱量則是利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的余熱，完全不消耗額外功率[1]。新能源汽車與傳統(tǒng)汽車在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上就存在著較大的差異，系統(tǒng)零部件在整車上布置安裝的要求也隨之提高，對(duì)機(jī)艙的空間需求更大，不同類型的新能源汽車又有著不同的特點(diǎn)；對(duì)于純電動(dòng)車而言，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)作為冷卻液循環(huán)的動(dòng)力源，也沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱可以利用。而對(duì)于混合動(dòng)力汽車來說，因?yàn)槠涮厥獾目刂撇呗裕l(fā)動(dòng)機(jī)在不工作的時(shí)候也無法為冷卻液的循環(huán)提供動(dòng)力，也不能實(shí)時(shí)的為乘員艙提供所需要的熱源。因此在結(jié)構(gòu)上，新能源車型的熱管理系統(tǒng)都設(shè)計(jì)有獨(dú)立的電子水泵為冷卻液的循環(huán)提供動(dòng)力，暖風(fēng)則通常采用電加熱方式，設(shè)計(jì)獨(dú)立的電加熱PTC把冷卻液加熱后，冷卻液再循環(huán)到車內(nèi)暖水箱給乘員艙提供熱量，這是目前主流的方式；也有一種是直接加熱經(jīng)過蒸發(fā)箱的空氣，通過風(fēng)機(jī)把熱量吹進(jìn)車內(nèi)，這種方式因?yàn)樯婕暗杰噧?nèi)安全，目前極少采用。

3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的種類

不同的電池?zé)峁芾矸绞剑婕暗牧慵?shù)量，結(jié)構(gòu)，布置方式均不相同，根據(jù)整車開發(fā)成本、整車重量、以及布置空間等要求，從而選擇不同類型的熱管理系統(tǒng)。其主要的技術(shù)路線有以下五種類型：

3.1 直接冷卻型

簡稱電池直冷技術(shù)，直冷系統(tǒng)是電池內(nèi)部內(nèi)置制冷蒸發(fā)器，通過管路與空調(diào)系統(tǒng)連接，在電池需求冷卻時(shí)，利用壓縮機(jī)把壓縮后的冷媒送入電池內(nèi)部蒸發(fā)器，然后帶走電池內(nèi)部熱量達(dá)到冷卻效果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，制冷效果好，零部件數(shù)量少（只需要一進(jìn)一出的制冷管路），重量輕等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)的缺點(diǎn)是無法在零下低溫條件下給電池加熱，制冷過程中產(chǎn)生的冷凝水無保護(hù)，而且制冷劑的溫度均勻性不易控制，制冷系統(tǒng)的壽命短，可靠性低，常常發(fā)生制冷劑泄漏，制冷能力不足等故障。這是目前最新的電池冷卻技術(shù)，成熟度比較低，市場上量產(chǎn)車型有比亞迪、特斯拉等車型已經(jīng)開始應(yīng)用，是未來的一個(gè)主要技術(shù)路線，見圖1。

3.2 散熱器水冷型

散熱器冷卻回路是一個(gè)獨(dú)立的回路，由散熱器、電子水泵、加熱器等組成，以防凍液為介質(zhì)，防凍液從散熱器出來，經(jīng)過加熱器再到電池，最后又回到散熱器，通過這種循環(huán)方式來給電池冷卻和加熱。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本不高，在常年低溫環(huán)境下節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是該系統(tǒng)散熱效率低，在夏天高溫氣候環(huán)境下水溫高，不能滿足高溫環(huán)境下的使用工況，見圖2。

3.1.3 直冷水冷型

此系統(tǒng)是在直冷與水冷的基礎(chǔ)上進(jìn)行整合，通過電池冷卻器Chiller（也叫熱交換器）把空調(diào)系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)進(jìn)行橋接。該系統(tǒng)規(guī)避了前兩種冷卻方式的缺點(diǎn)，是目前最常用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)之一。系統(tǒng)零部件比前兩種多，系統(tǒng)比較復(fù)雜，需求的零部件布置空間相對(duì)較大，在工作時(shí)壓縮機(jī)負(fù)荷大，對(duì)整車耗能大經(jīng)濟(jì)性差。另外，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)部分出現(xiàn)故障時(shí)，電池的冷卻需求得不到最大滿足，見圖3。

3.1.4 水冷混合型

該系統(tǒng)是在直冷水冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加一套散熱器水冷系統(tǒng)，把兩者按并聯(lián)回路進(jìn)行布置，通過控制電磁閥，在不同條件下使用不同回路給電池冷卻。在低溫環(huán)境下，只需散熱器水冷系統(tǒng)工作。當(dāng)處于高溫環(huán)境下，切換到直冷水冷系統(tǒng)工作。在惡劣工況下，兩個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)工作，電池還可以獲得最大冷卻能力，基本可以覆蓋所有使用環(huán)境。此套冷卻系統(tǒng)極其復(fù)雜，成本高，對(duì)整車布置空間要求高，系統(tǒng)的控制策略復(fù)雜，穩(wěn)定性及可靠性是一個(gè)挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)在市場大多混合動(dòng)力PHEV車型上也有使用，已擁有成熟技術(shù)，見圖4。

3.1.5 風(fēng)冷卻型

該系統(tǒng)則是直接把乘員艙制冷的冷風(fēng)通過管道引到電池，使用該冷風(fēng)對(duì)電池進(jìn)行空氣冷卻。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，冷風(fēng)溫度可控，系統(tǒng)成本低。但是同樣具有直冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)，系統(tǒng)無制熱功能，且電池表面產(chǎn)生的冷凝水不易干燥，對(duì)電池內(nèi)部有侵蝕污染的風(fēng)險(xiǎn)。一般不推薦使用這類熱管理方式，見圖5。

4 結(jié)語

隨著新能源汽車的發(fā)展，在市場上新能源汽車將成為一種主流，汽車的核心部件也會(huì)逐漸由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵亍Ｓ捎谄嚨膹?fù)雜行駛工況，高速、低速、加速、減速等頻繁變化，電池會(huì)以不同的倍率進(jìn)行放電，過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量聚集，隨著時(shí)間和空間的影響，電池溫度逐漸升高。動(dòng)力電池冷卻性能直接影響電池的使用效率，同時(shí)也會(huì)影響動(dòng)力電池的安全和耐久性。電池溫度會(huì)影響很多本身的特性參數(shù)，比如SOC、電壓電阻、容量、充放電效率和壽命等，所以在電池溫度過高時(shí)對(duì)其進(jìn)行冷卻，溫度過低時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱[3]，能保證電池的性能和延長使用壽命。隨著新能源汽車的普及，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)也會(huì)不斷的提升和進(jìn)步，更加成熟，相信在不久的未來，一定會(huì)出現(xiàn)其他更加優(yōu)良的熱管理系統(tǒng)來改善和克服現(xiàn)有熱管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)。電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的發(fā)展會(huì)讓電池始終工作在優(yōu)良的環(huán)境下，對(duì)電池的使用壽命有著極大的貢獻(xiàn)，這也終將推動(dòng)我國新能源行業(yè)的不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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