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純電動商用車電池熱管理技術研究

2021-03-03 11:23:01·  來源：Battery Insight view  作者：battery 風清揚  
　
1電池熱管研究必要性 動力電池作為電動汽車的動力源，動力電池的工作性能影響著整車性能，動力電池的性能（主要包括其可靠性、安全性、使用壽命、成本等）在一定程度上決定了電動汽車的發(fā)展。鋰離子電池因其能量密度高、性能優(yōu)異等優(yōu)點在電動汽車上廣泛應用，
1電池熱管研究必要性
 
動力電池作為電動汽車的動力源，動力電池的工作性能影響著整車性能，動力電池的性能（主要包括其可靠性、安全性、使用壽命、成本等）在一定程度上決定了電動汽車的發(fā)展。鋰離子電池因其能量密度高、性能優(yōu)異等優(yōu)點在電動汽車上廣泛應用，鋰電池的壽命、充放電容量等關鍵參數(shù)會隨著溫度變化而發(fā)生變化，在鋰電池充放電過程中，其內部會發(fā)生復雜的電化學反應產生焦耳熱。
商用車因高承載、使用路況復雜等特性，純電動商用車多匹配大型化、成組化的鋰離子動力電池，在充放電過程中會產生大量的熱量，導致動力電池的散熱量遠遠小于產熱量，在高溫、炎熱的夏季，較高的環(huán)境溫度以及動力電池自身產生的大量熱量，直接影響動力電池性能的穩(wěn)定性。低溫狀態(tài)下動力電池的活性降低，造成了冬季純電動車續(xù)航能力的降低。為了盡可能延長動力電池的使用壽命并獲得最大功率，同時解決高低溫環(huán)境對電池的影響，需在規(guī)定溫度范圍內使用動力電池。原則上動力電池單元在充電溫度在0℃-55℃、放電溫度在-20℃-60℃范圍內（實際電池溫度）處于可運行狀態(tài)。為了盡可能延長動力電池壽命并保證電池的安全性，在不同的環(huán)境下均需將動力電池溫度維持在合理的范圍內，動力電池系統(tǒng)匹配電池熱管理系統(tǒng)成為電動汽車發(fā)展的一個重要方向。
綜合客戶要求、使用工況、成本等各因素，不同的動力電池熱管理系統(tǒng)結構，零部件類型的結構、重量以及系統(tǒng)的成本以及控制方式均有差異，使得系統(tǒng)所達到的性能及冷卻效果也不相同。
 
2動力電池熱管理系統(tǒng)分類
 
動力電池熱管理系統(tǒng)主要可實現(xiàn)冷卻、加熱、溫度均衡等功能，目前國內外電動汽車熱管理系統(tǒng)主要有風冷、液冷、直冷等多種形式。
2.1風冷熱管理系統(tǒng)
風冷熱管理系統(tǒng)結構根據(jù)是否有風扇可分為自然冷卻和強制風冷。自然冷卻就是動力電池沒有額外的裝置進行換熱，完全靠周圍環(huán)境來平衡電池包的熱量。其優(yōu)點是結構簡單，成本低，但散熱性能較弱。強制風冷是通過風扇為電池包降溫，相比自然冷卻模式冷卻效果明顯，但在高溫環(huán)境下，冷卻效果不佳，且不能很好的維持電池電芯溫度的一致性。
2.2液冷熱管理系統(tǒng)
相比風冷熱管理系統(tǒng)，液冷結構散熱效率更高，對電池組的溫度控制更為精確，能夠很好地保證電池組的一致性，同時液冷結構可以對電池起到更好的保護效果，并且能讓電池在任何環(huán)境都能提供更好的性能輸出。液冷系統(tǒng)根據(jù)有無低溫散熱器可分為直接冷卻液冷卻系統(tǒng)及空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)，直接冷卻液冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、冷卻性能好但壓縮機負荷高?？绽?水冷混合冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、性能好且低溫環(huán)境下經濟節(jié)能等優(yōu)點，但系統(tǒng)復雜、成本高、控制復雜且可靠性要求高，目前大噸位純電動商用車及純電動客車多采用此結構。
2.3直冷系統(tǒng)
直冷系統(tǒng)采用制冷劑（相變材料）作為換熱介質，制冷劑能在氣液相變過程中吸收了大量的熱，相比冷凍液而言換熱效率可提升三倍以上，可更快速的將電池系統(tǒng)內部的熱量帶走，但直冷系統(tǒng)無法實現(xiàn)電池制熱，沒有冷凝水保護，且制冷劑溫度不易控制。盡管直冷系統(tǒng)具有巨大的潛能，但其導熱率差等缺點還需進一步探索。
 
3動力電池熱管理系統(tǒng)設計要求
 
動力電池熱管理系統(tǒng)設計時，首先需考慮電池包適宜工作范圍，廣泛應用的鋰離子電池正常工作溫度范圍為充電情況下0-55℃，放電情況下-20℃-60℃，最佳充放電溫度范圍為20℃-35℃，電池處于最佳溫度充放電時可使電池性能最優(yōu)及循環(huán)壽命最大化，且能有效的避免電池熱失控問題。
確定動力電池系統(tǒng)最佳溫度范圍后，現(xiàn)階段純電動商用車大多采用液冷結構，根據(jù)整車需求進行進行熱管理系統(tǒng)匹配選型，同時參照動力電池系統(tǒng)工作需求，制定系統(tǒng)工作閾值，其中環(huán)境溫度的影響可根據(jù)實際電池的散熱需求調節(jié)，制定電池熱管理系統(tǒng)最佳控制模式。
通過仿真分析電池包的熱特性，得到電池包相關散熱參數(shù)。
整車系統(tǒng)將各個電池包溫度及行車或充電/運行模式組合成一特定溫度報文并通過CAN總線發(fā)送至電池熱管理系統(tǒng)，電池熱管理系統(tǒng)計算出電池包的溫度最高值和溫度平均值，并根據(jù)設定溫度的要求自動進入以下模式：
壓縮機制冷模式：系統(tǒng)控制器上電（BMS提供工作信號），當環(huán)境溫度≤限定值，系統(tǒng)進水≥設定值，水泵運行，風扇運行，進入高溫冷卻模式；
自循環(huán)模式：系統(tǒng)控制器上電（BMS提供工作信號），當環(huán)境溫度>限定值，水泵運行，風扇運行，壓縮機運行，進行低溫冷卻模式；
待機模式：系統(tǒng)上電，但是BMS未提供工作信號，整機應處于待機狀態(tài)，水泵風扇壓縮機不工作。
 
4結論
 
當前我國已經進入到新能源汽車高速發(fā)展階段，如何提高電動汽車的安全性和使用性能已經成為所有新能源汽車企業(yè)重點關注的內容。鑒于動力電池系統(tǒng)對純電動汽車的重要性，研究高性能動力電池熱管理系統(tǒng)已是各大汽車企業(yè)主要任務，研究更高效的電池熱管理系統(tǒng)，不但可提升動力電池系統(tǒng)溫度控制精準度，同時也降低了電池熱失控風險。
 
文章來源：陜汽集團商用車有限公司
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