純電動汽車電池熱管理系統優化設計及應用分析

摘 要：為了改善動力蓄電池的工作效率，延長蓄電池的使用壽命，本論文對蓄電池的散熱問題進行了研究。在此基礎上，著重分析了在全電動車中使用的蓄電池散熱問題。其次，本文對目前市面上主要的幾種蓄電池散熱方式進行了較為詳盡的剖析，并對比了其優勢與不足。基于上述研究成果，本項目以提升換熱效果、減少能量消耗為目標，研究面向鋰離子動力電池的熱管理系統優化方法。結合仿真與試驗研究，闡明基于優化后的鋰離子電池的綜合效能。論文還對該技術在實際應用中的實際應用進行了歸納，并指出了進一步研究的發展趨勢。

關鍵詞：純電動車 電池熱管理系統 優化設計 應用研究

1 純電動汽車熱管理系統組成及原理

全電動車輛用有源液冷式熱管理系統的電路，包括三條回路：一是動力電池冷卻液回路，二是制冷劑回路，三是正溫度系數的熱敏電阻（PTC）冷卻液回路。

與傳統的非制冷回路相比，增加一套新的熱管理系統，是在傳統的制冷循環之外，由高低壓端并聯一條與板式換熱器相連的線路。在蓄電池組需要供冷時，回路中的電動擴張閥打開一段時間，使工質在其中進行擴張和汽化，同時將流過板片換熱系統中的冷卻劑所產生的熱能，進而對電池組進行冷卻。通過對電磁線圈的操縱，可以實現單車廂制冷、單電池制冷和混合制冷三種制冷方式的切換。

在汽車較低的條件下，電池組在較低的溫度下由 BMS向整車發送制熱請求，這時，通過三通水調節 PTC輸出的熱，并與較低的制冷劑進行換熱，進而提高整車的溫升。

因為使用了比例三通水，所以動力電池一側的冷卻劑的溫度也能夠通過比例調整而被控制，并且還能夠在三種方式之間進行轉換，即單功率電池供暖、單功率電池供暖和棍合供暖。本項目提出了一種適用于多種運行方式的新型空調與動力電池散熱系統，實現了對整車的高效節能減排。

采用這種散熱管理系統后，可以確保在30-50℃的溫度下，完全沒有后顧之憂，而且與沒有熱管理的車型相比，電池的快充時間可以減少30%左右。更關鍵的是，將動力電池置于適宜的工作環境中，可以極大地延長其使用時間，并避免因高溫而引起的安全隱患。

2 熱管理系統布置原則

在進行熱控設備的艙室布局時，一是為了確保其運行的可靠性與穩定性，各種組件都要符合其所處的位置及功能需求；同時，由于各個零部件之間由管道相連構成了一個整體，因此，在進行整車布局設計時，如何減小管道的長度來減小流體阻力，降低零部件振動的危險，以及滿足安全防護的空間需求，都是整個布局設計中亟待解決的重要問題。

2.1 熱管理系統總成部件布置原則

（1）板式換熱器。板式換熱器作為熱管理系統的核心零件，通過回路間的熱交換實現給動力電池包加熱和制冷。

平板熱交換器是從空氣調節端到動力蓄電池側的冷和熱傳遞的中心，因此，必須將 PTC側、制冷劑側和蓄電池回路側的七條管線都連接起來。在確定其設置地點時，一般應遵循如下基本準則：①采用橫向布局，確保板式換熱器的內空氣充足，不然會對傳熱和流動阻力產生不利的影響；②盡量使其位于制冷回路與暖風回路中間，以確保線路最小化，使管道費用達到最佳；③為了確保冷卻劑回路中的空氣完全排出， Z方向必須設置在冷卻劑回路的頂部與泵的中間；④因其聯接管道較多，故應盡可能地設置在車體上或車體較固定的位置，以防止所聯接管線的震動。

（2）一種 PTC式熱水器。PTC水暖器是一種公共的熱能來源，也是用于汽車、汽車、汽車等行業的供暖設備。根據各部分的安裝情況， PTC熱水熱水器的產品可能略有差別，通常都是豎向設置，并且進、出口管道不能向下。其布局應從排氣通暢，換熱充分，流阻小，便于維護和電磁兼容等角度進行。 PTC冷卻劑下入上出，既能確保 PTC內的流動通道中沒有過剩的氣體，又能提高傳熱效率。PTC水暖風機的安裝位置宜設在泵的上部，靠近閥門、排汽室等部位，這樣可以使回流阻力最小，節約管道費用。另外，為避免產生 EMI的危險，應盡可能避免與電氣傳動裝置等電氣設備接觸。

（3）電力泵（electric pump）。回路運轉需要用到的是電動泵，因為它里面裝有馬達，所以它的馬達要與整個車身的軸平行，而且要使它處于冷卻劑回路的最低處，與排出點之間有一段距離，這樣才能確保它的廢氣充分雯不會因為摻入而降低工作效率，甚至會造成泵的葉片破損。其次，在結構布局上要兼顧其本身工作振動引起的噪聲、振動和聲振不平等因素，并將其配置于整車，實現二次振動抑制。在布局有限的情況下，為了使系統的減震性能得到最大程度的發揮，必須對其本身進行優化。

2.2 熱管理系統管路布置原則

將散熱管道分成兩種，一種是供冷媒用的鋁管，另一種是用來輸送冷卻劑的橡膠管。在管道布局方面，除按規定進行接線之外，還應考慮保安防災、隔震、降噪等因素，流體阻力是管道布局設計中的重點。

（1）管道要盡可能的平滑，從流動阻力的角度來看，要避免彎道和彎道。

（2）為了防止由于組裝誤差過大而造成的難以安裝，對位于各部分的空調器配件間的冷卻連接管，應設置一節膠管。撓性管要有適當的曲率，撓性管的末端要保持天然的形狀，不能發生扭轉，也不能因為被連接部的移動而導致管道從它的中心軸所處的平面上偏移。與壓氣機連接的膠管的安裝表面，其軸向應該與壓氣機的震動方向相同。冷卻水管不能與加熱、轉動、震動和尖銳部位接觸。

（3）在管道中增設壓力開關、供液閥和電磁閥等元件時，要注意有關零件的安裝和維護的方便性。

3 熱管理系統布置案例

3.1 基礎車熱管理系統布置方案

基礎車熱管理系統布置方案，旨在為車輛提供一個高效、節能的熱管理解決方案，以確保車輛在各種運行條件下都能保持最佳的性能和舒適度。該方案通過精心設計的熱交換器、冷卻系統和溫度控制單元，實現了對車輛內部和發動機艙溫度的精確管理。系統能夠根據外部環境溫度、車輛負荷以及駕駛者設定的車內溫度偏好，自動調節冷卻液流量和風扇轉速，以達到最優的熱效率。此外，基礎車熱管理系統布置方案還考慮了車輛的長期耐用性和維護便捷性。通過模塊化設計，各個組件易于拆卸和更換，大大減少了維修時間和成本。同時，系統還具備自我診斷功能，能夠及時發現并報告潛在的故障，確保車輛運行的安全性和可靠性。

3.2 熱管理系統布置優化方案

根據以上所提出的底盤車輛散熱系統布局規劃中所出現的問題，進行了布局的優化研究。它去掉了原來的動力總成框架，把原來布置在發動機框架和車體之間的懸掛換成了發動機艙的橫梁和電動傳動設備的中間。并以艙室的梁為承載物，對其有關元件進行了適當的配置，在不震動的艙室梁上，橫向地配置板式換熱器、 PTC水加熱器、三通水閥、加熱水泵等零部件。與原有的底盤設計相比，新設計的底盤在振動、回油、流阻、防水等方面均有較大提高，在保持車身緊湊的同時，能夠兼顧車輛各個方面的各項性能指標，實現了全電動汽車座艙和動力電池散熱系統的合理布局。

3.2.1 振動改善

提出了一種新的結構形式，即將發動機的動力傳動裝置置于發動機艙梁之下，通過懸掛來緩沖發動機運轉時產生的振動。通過這種方式，可以使設置在艙室梁上部的散熱元件不受震動擾動，從而可以防止傳動裝置振源處的震動直接傳導給散熱元件，從而有效地避免管道發生振動破壞的危險。如表1所示，冷卻管內只有兩條與壓縮機相關的管道具有振動傳輸通道，與基本車輛相比，顯著地減小了，而熱水管中的全部管道都沒有與振動源相連，可以避免管道發生振蕩破壞的危險，也可以降低由于管道的長度而造成的減振費用。

3.2.2 積油改善

作為空調機組的“心”，其良好的潤滑與散熱關系到機組的“心臟”能否平穩運轉。壓縮機的潤滑方式是依靠壓縮機內的聚醋酸（POE）潤滑油來實現的，而機油的循環對于保持壓縮機的正常潤滑非常關鍵，通常需要將系統的流動阻力控制在一定范圍內，不然就會出現回油不順暢或者零件上有油。在增設了一套熱力管理后，因增設了多個支路，從而增大了燃油沉積的危險性。在原有的配置方式中，將與板式換熱器相連的低壓管抽頭位置置于系統的最高端與蒸發器間，模擬計算發現，在壓力的影響下，壓力管道中的三通口返回的機油會因自身的重量而流入蒸發器內，從而產生積炭。為此，通過對支管結構的優化，將板式熱交換器的低壓支管盡可能地設置在壓氣機吸入口附近，既能減少回流路徑，又能防止油進入其它換熱設備，模擬計算顯示，該方案對回流油有較好的效果。

3.2.3 其他改善

這一次的熱管理系統布局優化設計也針對原有底盤存在的諸多缺陷進行了改進，給出以下改進：

（1）與之相應的空調熱管理部件如板式換熱器、 PTC水加熱器、三通水閥、加熱水泵等，其設置緊密并大致在一個平面上，并且彼此之間的管線都比較少，而管道的直線部分則比較多，并且方向比較合理。由表3的比較可知，熱風管道的長度明顯減少，管道內的流體阻力也得到了明顯的減少，整體的散熱效果也得到了明顯的改善。

（2）除了壓氣機之外，板式換熱器、ITC水加熱器和加熱水泵等部件都設置在發動機艙的上部，遠離地板，這樣可以避免車輛涉水和濺水等水密的危險。

（3） PTC熱水加熱器和加熱泵安裝在艙室的梁上，與電氣傳動組件保持一定的距離，這樣可以避免 EMI，減少EMC隱患。

（4）將板式換熱器、PTC水加熱器和加熱水泵等電氣裝置設置在發動機艙的梁上，便于操作，便于拆除和維護。

4 結論

總之，在設計散熱設備時，應充分考慮管路設計布局，零部件間隙對環境的要求，固定可靠性，組裝可行性，拆卸與維護的方便性和設計的美感。在汽車研發階段，首先要對總體布局方案進行多個指標的權衡和驗證，以求最佳方案。

在研制成功后，要在實車試車中多次測試和完善，以滿足預期的要求。通過對全電動車輛散熱系統布局的研究，提出了一套適合于全電動車輛散熱方案的優化配置方案。

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