純電動汽車冷卻系統方案研究

紀云鵬

【摘要】本文分析了純電動汽車各熱源部件的散熱要求及工作特點，介紹了幾種目前純電動汽車上采用的冷卻系統設計方案，并提出了冷卻系統的設計目標評價標準和設計準則。

【關鍵詞】純電動汽車;冷卻系統;動力電池;驅動電機;電機控制器

1.概述

純電動汽車冷卻系統主要是對動力電池、驅動電機、電機控制器、DC/DC以及車載充電器等多個電器單元進行冷卻。其在輕量化、低能耗、高效率、低成本等方面上的要求與傳統車輛的冷卻系統一致，不同的是純電動汽車冷卻系統針對的是電器部件，受溫度影響更加明顯，所以對溫度的控制要求更加精確。同時，由于純電動汽車的動力系統和供電系統的電子部件耐受溫度低，整車降噪小，使得純電動汽車對冷卻系統的散熱性能和噪聲的要求較傳動車輛更為嚴格。因此，開發高效可靠的冷卻系統，勢必成為純電動汽車動力系統進一步提高效率，改善續駛里程的關鍵技術之一。

2.冷卻系統設計目標

目前純電動汽車的冷卻系統主要分為兩部分：一是對動力系統的驅動電機、車輛控制器和DC/DC等部件的冷卻，二是對供電系統的動力電池（鋰電）和車載充電器的冷卻。

動力電池的冷卻性能的好壞，直接影響電池的效率，同時也會影響到電池壽命和使用安全。動力電池冷卻必須滿足如下目標：

（1）電池單元的最高溫度Tmax<55℃;

（2）各電池單元體之間的溫差△Tbetw cells ≤5℃;

（3）每個單體內部溫差△Tin cell在5～ 10℃;

（4）電池水冷系統務必保證內部密封性;

（5）系統執行結構滿足整車噪音和節能目標。

在電機冷卻系統中，由于各冷卻單元集成了大量的電子元器件，其對溫度的要求也是越低越好，根據這些電子元器件的耐受溫度的限制，其冷卻系統務必滿足如下目標：

（1）驅動電機溫度限值：100℃;

（2）電機/車輛控制器工作溫度限值：90℃;

（3）DC/DC及車載充電器工作溫度限值：90℃;

（4）系統執行結構滿足整車噪音和節能目標。

3.動力電池冷卻方案

動力電池的冷卻主要有風冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式，目前市場上的純電動汽車主要以風冷為主。風冷方式又分為自然冷卻和強制冷卻。制冷劑冷卻方式是直接利用制冷劑對動力電池進行冷卻，而水冷方式是在制冷劑冷卻基礎上增加了第二冷卻回路，該回路包括電池冷卻器、電動水泵和集成在動力電池內的冷卻板及冷卻框架。這種水冷方式的冷卻效率高，更能夠有效地進行電池熱管理，實現智能控制，但是其研發、制造成本高，技術難度大，相對而言，風冷方式技術更加成熟，其研發、制造成本相對較低，目前被廣泛采用。

3.1 強制風冷方案

電池自然風冷一般要求動力電池本身發熱量小，且布置空間的空氣流場順暢，而目前國內的電池制造水平遠遠達不到該水平，故目前常見的是強制風冷方式。電池強制風冷系統主要包括：通風道和鼓風機。冷卻空氣主要來自乘員艙內，其原理是將乘員艙內的低溫空氣（溫度約為25℃）引入動力電池中進行冷卻。為了減輕空調系統的負荷，冷卻后約60%的空氣返回到乘員艙內，同時利用電池包內的傳感技術，反饋電池溫度，控制鼓風機的負荷，從而減少鼓風機電能的消耗。

依照冷風的來源，有兩種途徑，分別來自乘員艙內和空調冷風通道內。引入乘員艙內空氣的布置，引入乘員艙內冷風的入口，可以布置在乘員艙后排乘員座與后檔玻璃之間和后排乘員腳下，也可以布置在前排乘員腳下，具體選擇哪種方式，視車輛的布置而定。而引入來自空調冷風通道內的冷風可以從乘員艙前端引入，也可以從乘員艙后端引入。

3.2 制冷劑冷卻方案

制冷劑冷卻系統的冷卻介質是空調系統的制冷劑。其冷卻原理如圖1所示。空調系統的制冷劑經過冷凝器后形成兩個分支，一路進入車輛的蒸發器用于乘員艙的冷氣供應，一路經過膨脹閥后形成低溫低壓液體，用于跟集成在動力電池內部的制冷劑板進行熱交換，把動力電池內部的熱量帶出，最后從兩個分支出來的制冷劑又匯合進入壓縮機，開始新一輪的循環。由于該種方案管路較長，制冷劑量大，成本也較高，目前采用不多。

圖1 制冷劑冷卻方案

圖2 電池水冷系統

3.3 電池水冷方案

相對于上述兩種冷卻方式，水冷系統無論是從技術研究、設計開發、制造、成本還是從技術性能要求方面上考慮，均高于前兩者，尤其是考慮到電池使用的安全性，對水冷系統的密封性提出了很高的要求。水冷系統包括：冷凝器、壓縮機、膨脹閥、電池冷卻器、電動水泵、電池冷卻板以及電池框架。按照各單元的功能，可將其分為三部分：一是與外界冷空氣熱交換部分，由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和制冷劑組成。主要是利用壓縮機、冷凝器和膨脹閥這一套空調系統的核心部件，通過將制冷劑與外界冷空氣進行熱交換形成低溫低壓液體，為與電池冷卻器的熱交換提供冷卻介質;二是冷卻液循環單元，由電池冷卻器、冷卻液、電動水泵和管路做成。作用是通過電池冷卻器將制冷劑與冷卻液進行熱交換，降低進入電池冷卻板內的冷卻液的溫度，保證后續的熱交換過程中的溫度差，從而達到傳熱目的;三是電池熱交換單元，由電池冷卻板、冷卻框架和動力電池組成。電池冷卻板深入動力電池各單元體件，作用是以冷卻液為介質，通過熱交換方式帶走電池工作產生的熱量，達到冷卻電池的目的。整個水冷系統的原理如圖2所示。

4.電機冷卻系統方案

驅動電機及動力系統控制單元的冷卻一般是集成在一個冷卻回路內，稱為電機冷卻系統。冷卻方式有自然冷卻和強制水冷兩種，為了提高動力系統的效率，一般采用強制水冷方式。

電機冷卻系統需要冷卻的單元有驅動電機，電機/車輛控制器、DC/CD及車載充電器。冷卻系統的組成有：散熱器、電動水泵、冷卻液循環回路、冷卻風扇、除氣室和水溫傳感器等。按照各被冷卻單元對溫度要求不同，冷卻系統原理圖如圖3所示。

圖3 電機水冷系統原理圖

按照電機、控制器等單元對溫度的要求，電機冷卻系統水溫要求如下：

（1）電機出水溫度≤65℃;

（2）電機/車輛控制器出水溫度≤60℃;

（3）DC/DC及車載充電器出水溫度≤57℃。

冷卻液循環管路務必保證良好的密封性，在常態下，被冷卻單元的工作溫度越低其效率越高，所以，要求盡量減低被冷卻單元的工作溫度。

5.冷卻系統性能驗證和性能評價

5.1 性能驗證

無論是電池還是電機冷卻系統，都必須通過車輛相關的試驗驗證，這就涉及到試驗條件、試驗要求和評價準則。對于電池冷卻系統的驗證，電池充放電時的發熱特性，只要滿足電池放電狀態下的工作狀態即可，應選擇整車電能消耗最大的工況進行考核。而對于電機冷卻系統，要研究車輛工況與動力系統負荷的關系，這就涉及到車輛的使用工況和動力匹配。綜合考慮以上因素，以下工況可供借鑒：

（1）爬坡工況（60km/h，8%坡度）;

（2）高速工況（最高車速，水平路）;

（3）城市工況（0～40km/h（5s）～停車怠速（30s）～啟動～40km/h（5s）循環，加速和減速時間均為5s，共10各循環）;

（4）40km/h至最高車速間隔車速勻速行駛，至少4個車速;

（5）車輛加速工況（0至最高車速）。

5.2 性能評價

對于純電動汽車冷卻系統的性能評價，主要從以下方面進行評價：

（1）各控制單元具有故障自診斷和保護功能;

（2）按照傳統車輛冷卻系統評價原理，計算車輛是否滿足要求的使用環境溫度限值（車輛運行環境溫度限值：-25～45℃）;

（3）考慮冷卻系統是否保證被冷卻單元是否處于最佳的運行溫度，以保證其處于最佳的工作效率;

（4）冷卻系統的運行在滿足要求的同時要求各部件的能耗和噪音滿足政策和要求;

（5）滿足使用壽命和可靠性要求。

參考文獻

[1]李正秋.燃料電池汽車整車熱管理方案研究[D].上海：上海汽車股份有限公司技術中心，2008.

[2]蔣光福.汽車發動機艙散熱特性研究[J].汽車科技， 2006.