純電動車熱管理系統構建研究

張春秋 徐振鵬

（東風汽車有限公司東風日產乘用車技術中心，廣州 510800）

主題詞：串聯冷卻系統 高效電池溫控系統 能量回收 電動汽車

1 引言

得益于鋰離子電池技術的發展，電池能量密度不斷提高，目前純電動乘用車續航里程高于300 km的比例已經達到了81%[1]。隨著電池能量密度不斷增加，純電動汽車的續航里程得到一定提升，有資料預測2020年純電汽車滿足市場營運要求的續航里程需要在450 km以上[2]。同時伴隨著使用環境和使用區域的不斷擴大，市場對電動車驅動單元、動力單元性能提出了更高的要求。在這樣的背景下，電機/電控/電池熱管理變的非常重要。與此同時，電動車整車熱管理在考慮達成整車性能的基礎上更需要考慮系統節能、高效，從而減小對整車續航里程的影響。

先進的汽車熱管理技術，不僅能夠使電池工作在良好的溫度狀態，提升電動汽車的電池利用率和壽命，也能夠充分考慮整車層面的能量再利用，提升整車的續航里程。一個好的熱管理系統是多個系統耦合的復雜系統[3]，是一個包含了電機/電控、電池溫控、乘員艙溫控的整體系統，不同工況下采用不同的熱管理模式，采用不同的控制策略。例如目前主流的電動汽車針對電池熱管理系統采用獨立的溫控系統，制冷采用電池冷卻器（Chiller）中冷媒與水換熱，冷水流入電池冷板給電池冷卻的方式，而電池加熱采用系統中串聯的水加熱器（WPTC）加熱系統循環水，再流入電池換熱板給電池采暖。這套獨立的電池溫控系統存在以下2個問題。第1，在環境溫度較低，但受工況影響電池需要進行冷卻時，例如電池快充或車輛高負荷工況狀態下，仍需要啟動電動壓縮機，通過冷凝器和電池冷卻器對動力電池進行冷卻，需要消耗更多的電能。第2，車輛在低溫剛啟動后，動力電池需要加熱保溫時，此時需要啟動電池加熱器（WPTC）進行電池加熱，同時電機和電控系統會有散熱需求，由于電機/電控系統和電池溫控系統相互獨立，彼此能量不能相互利用，造成能耗損失。所以為了提高能耗利用率，需要選用更加優化的系統，希望通過下面的介紹，能夠在系統構建，策略制定方面提供參考，制定符合項目要求的最優系統方案。

2 EV整車熱管理介紹

常見電動汽車熱管理系統由電機電控溫控、動力電池溫控、乘客艙溫控3部分組成。

電機電控溫控由電子水泵、低溫散熱器、補償水壺、電控單元冷卻模塊、逆變器冷卻模塊和驅動電機冷卻模塊組成。該系統的溫控對象為純電動汽車的電控單元、逆變器和驅動電機。3個溫控對象的發熱功率，較之傳統汽車散熱量小，且合適的工作溫度相近，因此采用串聯進行連接。動力電池溫控由電池水冷模塊、電子水泵、冷卻器、水加熱器和冷媒制冷回路等構成。電池溫控系統的作用在于維持各種工況下電池溫度在合適工作范圍內，因為較低溫度會影響電池的放電功率和安全性，較高溫度會嚴重影響電池壽命和穩定性[4]；不同電池式樣都有適合的工作溫度區間，比如鉛酸電池溫度范圍在20～45℃[5]，所以電池溫控系統需要具備制冷和加熱的功能。乘客艙溫控部分由電動壓縮機、冷凝器、蒸發器和空氣加熱器等組成。由于熱泵技術還多處于研發階段，成員艙溫控系統和傳統差異不大，本次不作詳細討論。

針對電機/電控和電池熱管理按發展的趨勢分3種系統構建方式，下面進行詳細研究討論。

3 第1代熱管理系統

2015年前上市的電動車由于續航里程短、電池容量小，熱管理方面電機/電控與電池熱管理分開管理；電機/電控冷卻系統多采用串聯冷卻式樣，利用低溫散熱器對散熱需求部件進行散熱，電機/電控熱管理系統如圖1（第1代熱管理系統）。

圖1 串聯電機/電控/附屬電器冷卻系統（第1代熱管理系統）

受制于技術和成本限制，早期電動車驅動系統散熱部件包括：充電器、電源分配器、逆變器和電機，采用串聯冷卻系統。此套系統需要考慮電器部件的發熱量和性能要求，一般要求冷卻液先流經低發熱、對溫度敏感的部件，然后再對高發熱部件進行冷卻。由于部件分開進行冷卻，需要考慮整車布置要求，這套系統回路冗長，系統流阻較大，對水泵性能及加注性能要求高。

針對以上問題，部分車型進行技術升級，引入驅動系統模塊化的設計，如圖2所示。

圖2 優化的電機/電控冷卻系統

優化后的冷卻系統在電控模塊中集成其他電器功能，整車布置考慮電控模塊和電機，盡量將他們布置在統一區域，減少系統回路長度，這套系統應用的典型車型如日產的LEAF車型。

早期的EV車續航里程要求不高（一般＜200 km），電池能量密度低，電池溫控系統采用自然風量或主動風冷技術。

自然風冷是通過外界空氣與電池殼體進行換熱完成電池整包的溫度控制，這種冷卻方式對電池包的安裝位置有要求，一般安裝在地板等通風位置。

強制風冷系統是根據熱流體仿真分析的結果對電池熱量分布區域進行強制散熱，這種電池冷卻方式在K.J.Kelly等研究報告中進行了研究[6]。電池風冷系統會設定鼓風風扇，專用風道等零件；考慮到電池發熱量及電池內部溫差的要求，電池內部風道的式樣分以下3種類型，如圖3所示，可以看到并聯風道[7]的流場更為合理。

圖3 電池強制風冷風道類型

4 第2代溫控系統

隨著電池容量和電池能量密度的增加，電池在充放電過程中產生的熱能增加（電池整體最大發熱量大于5 kW），傳統的風冷技術已經不能滿足電池散熱需求。

第2代溫控系統的特點在于保持電機/電控系統水冷的基礎上，電池溫控系統采用更為高效的溫控方式，針對電池制冷采用與空調系統進行耦合，同時考慮到保證電池低溫性能，引入電池加熱技術。

圖4是第2代溫控系統比較有代表性的系統構建方案，可以看到電機/電控與第1代對比無太大變化。電池溫控系統具有制冷和加熱功能，制冷采用引入電池冷卻器（Chiller）來實現，冷媒在冷卻器里蒸發使其內部的翅片變冷，翅片再與電池內部熱交換后的暖水進行熱交換，熱交換后的冷水通過電子水泵再次流入電池內部冷卻板完成換熱循環。針對電池低溫下的采暖需求，系統設定單獨的水暖PTC，一般功率5 kW以下。采用這種電池溫控系統方案的國內車型有榮威E50、帝豪EV、景逸S50EV等[8]。針對電池采暖某些車企采用空調采暖和電池加熱共用加熱器的系統構建，如圖5所示的系統。

圖4 第2代溫控系統代表回路

圖5 電池采暖與空調制熱共用加熱器

圖5 是針對電池采暖與空調制熱共用加熱的系統構建說明，這套系統優點是設定一個水加熱器給暖風和電池進行制暖，同時空調系統（制冷/制熱）可以和傳統燃油車共用。但這套系統需要重新構建空調制熱回路，增加電子水泵和相關管路。考慮到除霜、除霧法規要求，共用加熱器功率較大（一般在7 kW以上），進入到暖風芯體的冷卻液溫度要求較高，一般80℃以上，但如此高溫冷卻液不能直接用于電池加熱，會造成電池過熱，因為根據電池性能不同，影響電池壽命的溫度限值有明確要求，一般在50℃左右。為解決這個問題需要為電池回路追加熱交換器，形成水水熱交換；也有車企量產車型采用四通閥方案，如比亞迪元[9]。為了保證空調制熱優先原則，需要對電池制暖溫度控制，也需要對流進電池采暖部分的高溫防凍液的量進行控制，同時需要為系統追加電子水閥，控制系統流量。綜上所述，共用加熱器的系統方案需要更多的構成件，系統構建更為復雜，控制更為復雜，成本更高。

針對第2代溫控系統構建概括如下。

（1）電機/電控和電池溫控采用兩套系統回路，系統構成相對簡單，可以根據整車工況和實際需求單獨控制。

（2）由于設定獨立的電池溫控系統，可以把電池溫度控制在合適的工作溫度，一般溫度控制在15℃～35℃范圍內，有利于提高電池的穩定性和壽命。由于存在電池采暖功能，電池在低溫下的性能表現得到了提升，特別是大大縮短了低溫充電時間。根據2019版《EV-TEST（電動汽車測評）管理規則》對低溫充電時間有要求，如果此項得分大于90分，SOC在0～80%的低溫充電時間/常溫充電時間應小于1.38[10]。

（3）第2代溫控系統電池的制冷和采暖分別需要啟動壓縮機和高壓水加熱器（WPTC），在北方低溫環境下電池充放電時的采暖和乘員艙的制熱需求會占用大量的能耗，通過實驗測試證明用于加熱的能耗占電池總能耗的20%以上，會影響整車的續航里程。

5 第3代溫控系統

通過對第2代溫控系統構建的分析，發現第2代溫控系統存在能耗過高的問題，需要檢討更高效，更節能的溫控系統構建。

電機/電控系統和電池溫控系統的溫度控制范圍不同，電機/電控的系統溫度高于電池適合的工作溫度（15℃～35℃），如表1所示。

表1 電機/電控作溫度要求 ℃

考慮到環境溫度的影響，電機/電控系統的水溫在50℃左右，在低溫情況下這部分水可以流進電池進行電池預熱。同時，當環境溫度較低，電機/電控散熱需求低，但電池需要制冷的時候，可以考慮采用低溫散熱器給電池進行制冷。根據以上說明構建如圖6所示的系統回路(第3代溫控系統)。

圖6系統構建優勢在于，電池慢充電或者高負荷放電時候可以根據環境溫度來決定采用低溫散熱器制冷或者空調系統制冷。同時可以將電機/電控的部分余熱用于電池制暖或保溫，這個功能在前后雙驅動電機/電控系統表現的較為實用，通過仿真分析說明如下。

以某車開發模擬數據為例，在環境溫度-7℃（電池溫度-7℃）條件下，進行0.5 h CLTC工況循環模擬，分別分析電機冷卻水溫和電池有無余熱回收電池溫度，如圖7所示。

圖6 第3代溫控系統代表回路

圖7 電機余熱利用說明

通過圖7可知，電機冷卻液溫度與電池溫度溫差大于20℃，熱量利用率較高，同時可見電池在-7℃環境電池在無余熱利用時僅靠自身發熱溫升不明顯。

針對第3代溫控系統，詳細整理工作模式，如表2所示，其中Tbat為電池實際溫度，Tmin為電池制暖開啟限值溫度，Tmax為電池制冷開啟限值溫度。

表2 第3代溫控系統工作模式

工作模式包括行駛和充電工況，概括如下。

5.1 行駛工況

（1）Tbat＜Tmin：這種情況出現在環境溫度和電池本體溫度較低的情況，這個工況可以將電機的余熱用于電池加熱或保溫，結合電池放電自發熱情況，這個工況下水加熱器只有在極低溫度下才會啟動；

（2）Tmin≤Tbat≤Tmax：電池溫度在合適的工作溫度下，只需要給電機/電控系統制冷，但考慮到電池內部均溫要求，針對電池溫控系統設定的電子水泵考慮部分時間開啟；

（3）Tbat＞Tmax（散熱器出水溫度＜25℃）：這種情況一般出現在環境溫度較低，同時整車在高負荷工作，如長時間爬坡、高速、堵車等工況。此時電池放電功率大，溫度逐漸上升需要制冷；由于環境溫度較低，低溫散熱器的換熱效率較高（前置散熱器的布置方案尤為明顯），經過低溫散熱器的冷卻液溫度低于25℃以下，這樣的低溫冷卻液可以流入到電池冷板給電池包進行制冷；

（4）Tbat＞Tmax（散熱器出水溫度＞25℃）：當環境溫度較高，經過低溫散熱器的冷卻液溫度較高（一般大于35℃）時，電池制冷需要借用空調系統，啟動壓縮機，通過電池冷卻器為電池制冷。

5.2 充電工況

（1）Tbat＜Tmin：當電池溫度較低情況下，電池活性會降低，電池充電時間大大增加，需要開啟水加熱器為電池制暖再進行充電，通過實驗數據得知有主動制暖功能的電池溫控系統會縮短50%的充電時間；

（2）Tmin≤Tbat≤Tmax：充電過程中電池溫度持續在合適工作溫度，只需要關注電池溫差，決定是否啟動電子水泵；

（3）Tbat＞Tmax（散熱器出水溫度＜25℃）：這個工況類似于走行時環境溫度較低的情況，可以利用低溫散熱器對電池進行制冷。但考慮到大電流快充電，電池溫升較快時可以考慮開啟壓縮機和電池制冷器，提升制冷效率；

（4）Tbat＞Tmax（散熱器出水溫度＞25℃）：當環境溫度較高，特別是大電流快充的情況，需要啟動壓縮機，利用電池制冷器進行系統制冷。

第3代溫控系統最大的優勢在于降低了壓縮機和水加熱器的開啟頻率，降低了整車能耗，增加了續航里程。

6 結論

隨著電機/電控和電池熱管理要求的不斷提高，基于水冷方式構建的電機/電控和電池溫控系統成為主流的冷卻技術方案。同時由于法律法規對電動車續航里程要求不斷提高，兼顧節能、電機電控系統熱能再利用的高效的熱管理系統的構建是今后發展趨勢。當熱泵技術逐步產業化后，純電動車熱管理系統需要將電機/電控溫控、動力電池溫控、乘客艙溫控進行全面考慮，構建更加高效節能的熱管理系統。同時會推動針對三代熱管理系統零件的產業化進程，如流量調節水閥、高功率電子水泵、集成化的熱管理模塊等零件的開發。