摘  要

在內(nèi)燃機(jī)車輛中，熱管理系統(tǒng)確保動力傳動系（發(fā)動機(jī)）、后處理（排氣系統(tǒng)）和空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，在電動車和混合動力電動汽車中同樣重要，它還與安全和消除里程焦慮相關(guān)。熱管理系統(tǒng)(TMS )= 電池冷卻（BCS）+ 牽引冷卻系統(tǒng)(TCS)+空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（HVAC）,在任何電動汽車中都成為一個三環(huán)路系統(tǒng)，其中BTMS/BCS對維持鋰離子電池組的性能和安全可靠性起著重要作用。另一方面，牽引冷卻系統(tǒng)有助于保持電動車輛電子部件的理想工作溫度，以確保適當(dāng)?shù)男阅芎屠硐氲膲勖?。本文主要概述動力總成熱管理系統(tǒng)的概念、配置、車載電腦與電動車輛性能(續(xù)駛里程、充電狀態(tài)、壽命)、安全、可靠性參數(shù)的相關(guān)性和驗證要求。

1  熱管理系統(tǒng)對于電動汽車及混合動力汽車的意義

三回路熱管理系統(tǒng)是提高電動汽車性能、可靠性和安全性的有效途徑，電池的性能、壽命和成本直接影響汽車的性能、壽命和成本。在通過再生制動機(jī)制進(jìn)行能量回收的過程中，電池溫度會影響放電功率的可用性、能量和充電接受度，這些都會影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性能。此外，溫度會影響電池的壽命，對于不同種類的電池所需的工作溫度范圍是不同的。通常，電池工作的最佳溫度范圍比車輛所需的工作溫度范圍窄得多。例如，鋰離子電池的期望工作溫度在25℃到35℃之間，而車輛運(yùn)行的溫度范圍可以是-30℃到60℃。考慮電池組中的溫度分布不均，組件間的溫度變化使得每個組件的充電或放電行為不同，這可能會導(dǎo)致模塊電氣不平衡，降低組件性能。

一個設(shè)計良好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要將電池組溫度保持在所需的工作范圍內(nèi)來均勻地調(diào)節(jié)電池組溫度。電動汽車和混合動力汽車需要一個有效的BTMS，使他們能夠在炎熱和寒冷的氣候下運(yùn)行。任何鋰離子電池模塊的適當(dāng)熱設(shè)計都對電池組的整體熱管理及其行為產(chǎn)生積極影響。鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電動汽車中，在任何電動汽車中，電池組占車輛成本的46%，但其性能和壽命對溫度非常敏感，因此保持電池的適當(dāng)溫度范圍變得至關(guān)重要。此外，熱跑道、冷卻系統(tǒng)泄漏等可能會影響續(xù)航里程、壽命和安全性。

2  熱管理系統(tǒng)在電動汽車中的復(fù)雜性

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在消除鋰離子電池的熱影響方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，它提高了整個電池包的溫度均勻性，延長電池壽命，并提高電池包的安全性。對于電動汽車來說，設(shè)計一個好的熱管理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是多尺度的。電動汽車中的鋰離子電池和其他高壓部件所需的工作溫度范圍(工作區(qū))比常規(guī)內(nèi)燃機(jī)車以及室溫環(huán)境工作溫度范圍都要窄。此外，還需要考慮乘客舒適性，其中所需的舒適溫度范圍也很小。環(huán)境溫度和空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對電動汽車行駛里程的影響如圖1所示。



3  電池/電動汽車與熱管理系統(tǒng)的聯(lián)系

電動汽車電池組一般通過并聯(lián)和串聯(lián)的方式結(jié)合多個電化學(xué)電池，通過幾個接口與外部環(huán)境交互，如圖2所示。



機(jī)械——代表集成到電池組中的所有機(jī)械設(shè)計特征，例如阻尼墊、電池墊片、減壓閥或排氣閥、密封件、墊圈。

結(jié)構(gòu)——包含一個箱子和一個蓋子，以防止環(huán)境因素的影響，如濕度，灰塵等。此外，通過適當(dāng)?shù)恼駝痈綦x和高抗撞性來保護(hù)電池組。

熱量——為了最大化能量容量，需要將鋰離子電池的溫度控制在25℃至35℃之間，并保持電池組的熱量分布均勻，因此，電池組需要一個有效的熱管理系統(tǒng)。

電動——為了滿足電動汽車行駛循環(huán)的動力需求，電池組在一定電壓下產(chǎn)生電流。這種動力通過由母線、電纜、保險絲、斷路器、繼電器和接觸器組成的電路傳遞給電動汽車傳動系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)——用于使用測量電流、電壓、溫度、壓力和濕度的傳感器來監(jiān)控電池組的狀態(tài)。

支撐——是電池組與底盤及車身的安裝方案，以實現(xiàn)所需的隔振程度，并具有可靠的操作和耐碰撞性。

圖3更直觀的描述了熱管理系統(tǒng)和電動汽車動力系統(tǒng)之間的聯(lián)系。



4  熱管理系統(tǒng)-性能及最佳結(jié)果

電動車組的熱管理系統(tǒng)由三個回路組成，分別是傳統(tǒng)的空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和牽引冷卻系統(tǒng)。鋰離子電池組的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)對保持電池的儲能容量、續(xù)航里程、電池壽命和系統(tǒng)安全至關(guān)重要。當(dāng)電池處于高速率充電(如快速充電或再生斷電)和放電(如插電式混合動力車、高性能車輛)時，以及車輛在非常高或很低的環(huán)境溫度下運(yùn)行時，BTMS尤為重要。另一方面，牽引冷卻系統(tǒng)(TCS)有助于保持牽引電機(jī)、逆變器、變頻器和DC-DC的溫度，以確保這些高壓傳動系統(tǒng)部件的正常工作。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的屬性如下：

a——提供最佳的平均溫度確保壽命和性能；

b——在不同運(yùn)行工況下，為電池組提供最佳溫度；

c——熱管理系統(tǒng)必須是緊湊、防泄漏、可靠的及易于包裝；

d——該系統(tǒng)可以使用單液(空氣或冷卻液)或組合來維持電池芯的溫度；

e——該系統(tǒng)可以有效地保持電池所需的工作溫度，無論環(huán)境條件(熱、冷或潮濕)。

f——該系統(tǒng)必須在低寄生功率下運(yùn)行，運(yùn)行在廣泛的氣候條件下，并提供通風(fēng)。

為了確保牽引傳動系統(tǒng)和高壓組件的預(yù)期性能和壽命，牽引冷卻系統(tǒng)的屬性如下。

a——在不同的運(yùn)行工況和環(huán)境條件下，保持牽引電子傳動系統(tǒng)(電機(jī)和逆變器)的溫度在所需的溫度范圍內(nèi)。

b——提供最佳的工作溫度給DC-DC確保適當(dāng)?shù)墓δ?，性能和壽?br />
c——在不考慮車輛的運(yùn)行狀況下為牽引傳動系統(tǒng)和高壓部件提供最佳的溫度

d——該系統(tǒng)必須緊湊、可靠、防泄漏、易于包裝和使用單一流體操作。

純電動汽車的典型熱管理系統(tǒng)(TMS)布局如圖4所示。



5  測試和驗證要求

這一部分主要是關(guān)于驗證和認(rèn)證的關(guān)鍵測試要求，進(jìn)一步細(xì)分為不同的類別——如性能、功能、安全、監(jiān)管等。電池組是純電動汽車的儲能裝置，其安全性、可靠性(壽命)是一個不可預(yù)測和未經(jīng)證實的研究領(lǐng)域。為了更好地理解，所有主要針對電池組的測試、驗證要求都以圖形和表格的形式進(jìn)行表示，包括范圍(性能)、安全性、可靠性和熱管理系統(tǒng)。表1代表了關(guān)鍵的BTMS和TCS環(huán)境測量參數(shù)，以確保電池組和電動汽車在理想的溫度范圍下運(yùn)行，并安全提高性能和壽命。



結(jié)  論

電動汽車及混合動力汽車的熱管理在任何氣候條件下有效運(yùn)行至關(guān)重要。另一方面，牽引系統(tǒng)[TCS-傳動系統(tǒng)(電機(jī)、逆變器)和高壓組件]的熱管理對于不同的操作和環(huán)境條件下保持性能也很重要。本文概述了電動汽車三回路熱管理系統(tǒng)，討論了鋰離子電池、車載電腦與熱管理系統(tǒng)的之間的聯(lián)系并得出以下結(jié)論。

a——鋰離子電池組對溫度非常敏感，設(shè)計良好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)對電動汽車至關(guān)重要。這將有助于均勻控制和保持電池組溫度，增強(qiáng)能量儲存，延長壽命，增加行駛里程。

b——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷水機(jī)組開關(guān)、VCU和BMS邏輯連接在電池冷卻系統(tǒng)、量程、機(jī)艙冷卻系統(tǒng)和駕駛室NVH的功能中都起著關(guān)鍵作用。

c——牽引冷卻系統(tǒng)(TCS)對電動汽車的靈敏度相對較低，其工作溫度波段不像鋰離子電池組那樣窄。該系統(tǒng)通過適當(dāng)?shù)臒峁芾硖峁┓€(wěn)定性，以獲得預(yù)期的性能和功能。

d——鋰離子電池的工作溫度最好保持在25 ~ 35℃，溫差不大于于5℃。

總體而言，由BTMS、BCS、TCS和HVAC組成的熱管理系統(tǒng)(TMS)是緊密相連的，這對于確保鋰離子電池電動汽車的性能(特別是行駛里程)、功能、壽命和安全性至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：Biswas, S., Thermal ManagementSystem and Performance Characteristics of Electric Vehicle, in SAE Technical Paper Series. 2020.