純電動商用車電池熱管理技術研究

郭凡 劉衛芬 張佳佳

摘 要：能源危機和環境污染問題已成全球關注的焦點，新能源汽車順勢而為，純電動汽車采用純電驅動，更加節能、環保。隨著純電動汽車的發展，車輛的安全性、續航里程能力得到了關注，動力電池的性能很大程度上影響著整車性能，為了提升動力電池系統性能，避免熱失控，研究高性能動力電池熱管理系統至關重要。

關鍵詞：純電動;商用車;電池;熱管理;研究;液冷

中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-08-03

Abstract： The energy crisis and environmental pollution have become the focus of global attention. New energy vehicles are taking advantage of this trend.With the development of pure electric vehicles， vehicle safety and range have been concerned， the performance of power batteries to a large extent affect the performance of the whole vehicle， in order to improve the performance of power battery system， to avoid thermal runaway， research on high-performance power battery thermal management system is crucial.

Keywords： Electric; Commercial vehicle; Battery; Heat management; Research; Liquid cooling

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-08-03

前言

隨著能源緊缺和大氣污染問題的日益嚴峻，節能減排已成為一個重要的社會課題，開發推廣新能源汽車能夠有效實現節能減排。電動汽車（EV）由于其零排放的優勢，是極具發展潛力的“綠色”產品，新能源汽車具有低能耗、輕污染等優點，可以改善能源緊缺與環境污染等問題。

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展。鋰離子電池因其能量密度高、性能優異等優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會隨著溫度變化而發生變化，在鋰電池充放電過程中，其內部會發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定性。低溫狀態下動力電池的活性降低，造成了冬季純電動車續航能力的降低。為了盡可能延長動力電池的使用壽命并獲得最大功率，同時解決高低溫環境對電池的影響，需在規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。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，動力電池系統匹配電池熱管理系統成為電動汽車發展的一個重要方向。

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結構，零部件類型的結構、重量以及系統的成本以及控制方式均有差異，使得系統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分類

動力電池熱管理系統主要可實現冷卻、加熱、溫度均衡等功能，目前國內外電動汽車熱管理系統主要有風冷、液冷、直冷等多種形式。

2.1 風冷熱管理系統

風冷熱管理系統結構根據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，完全靠周圍環境來平衡電池包的熱量。其優點是結構簡單，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

相比風冷熱管理系統，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境都能提供更好的性能輸出。液冷系統根據有無低溫散熱器可分為直接冷卻液冷卻系統及空冷/水冷混合冷卻系統，直接冷卻液冷卻系統具有系統緊湊、冷卻性能好但壓縮機負荷高。空冷/水冷混合冷卻系統具有系統緊湊、性能好且低溫環境下經濟節能等優點，但系統復雜、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

直冷系統采用制冷劑（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內部的熱量帶走，但直冷系統無法實現電池制熱，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設計要求

動力電池熱管理系統設計時，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及循環壽命最大化，且能有效的避免電池熱失控問題。

確定動力電池系統最佳溫度范圍后，現階段純電動商用車大多采用液冷結構，根據整車需求進行進行熱管理系統匹配選型，同時參照動力電池系統工作需求，制定系統工作閾值，其中環境溫度的影響可根據實際電池的散熱需求調節，制定電池熱管理系統最佳控制模式。

通過仿真分析電池包的熱特性，得到電池包相關散熱參數。

整車系統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 總線發送至電池熱管理系統，電池熱管理系統計算出電池包的溫度最高值和溫度平均值，并根據設定溫度的要求自動進入以下模式：

壓縮機制冷模式：系統控制器上電（BMS提供工作信號），當環境溫度≤限定值，系統進水≥設定值，水泵運行，風扇運行，進入高溫冷卻模式;

自循環模式：系統控制器上電（BMS 提供工作信號），當環境溫度>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：系統上電，但是BMS未提供工作信號，整機應處于待機狀態，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重點關注的內容。鑒于動力電池系統對純電動汽車的重要性，研究高性能動力電池熱管理系統已是各大汽車企業主要任務，研究更高效的電池熱管理系統，不但可提升動力電池系統溫度控制精準度，同時也降低了電池熱失控風險。

參考文獻

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[2] 雷治國，張承寧.電動汽車電池組熱管理系統的研究進展[J].電源技術，2011（12）.

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