電池包熱管理系統(tǒng)的三種溫控技術(shù)

◆文/山東 李子敬

一、概述

電池包(PACK)內(nèi)的溫度環(huán)境對(duì)電芯的可靠性、壽命及性能都有很大的影響，因此，使電池包內(nèi)維持一定的溫度范圍區(qū)間就顯得尤其重要，冷卻與加熱是常用的形式，下面將對(duì)風(fēng)冷、液冷、直冷三種冷卻方式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

二、風(fēng)冷

風(fēng)冷是以低溫空氣為介質(zhì)，利用熱的對(duì)流，降低電池溫度的一種散熱方式，分為自然冷卻和強(qiáng)制冷卻(利用風(fēng)機(jī)等)。該技術(shù)利用自然風(fēng)或風(fēng)機(jī)，配合汽車自帶的蒸發(fā)器為電池降溫，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，在早期的電動(dòng)乘用車中應(yīng)用廣泛，如日產(chǎn)聆風(fēng)(Nissan Leaf)、起亞Soul EV等，在目前的電動(dòng)巴士、電動(dòng)物流車中也被廣泛采納。

風(fēng)冷的基本原理如圖1所示。該系統(tǒng)為風(fēng)冷熱泵模塊機(jī)組，其工作原理是以壓縮制冷循環(huán)為基礎(chǔ)，以制冷劑為載體，通過(guò)蒸發(fā)器強(qiáng)制換熱，將熱量從大氣中提取或排出，以滿足制冷或制熱的需要。

圖1 風(fēng)冷原理示意圖

三、液冷

液體冷卻技術(shù)通過(guò)液體對(duì)流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液體介質(zhì)的換熱系數(shù)高、熱容量大、冷卻速度快，對(duì)降低最高溫度、提升電池組溫度場(chǎng)一致性的效果顯著。同時(shí)，熱管理系統(tǒng)的體積也相對(duì)較小。液冷系統(tǒng)形式較為靈活，可將電池單體或模塊沉浸在液體中，也可在電池模塊間設(shè)置冷卻通道，或在電池底部采用冷卻板。電池與液體直接接觸時(shí)，液體必須保證絕緣(如使用礦物油)，避免短路。同時(shí)，對(duì)液冷系統(tǒng)的氣密性要求也較高。此外就是機(jī)械強(qiáng)度、耐振動(dòng)性以及壽命要求。液冷是目前許多電動(dòng)乘用車的優(yōu)選方案，國(guó)內(nèi)外的典型產(chǎn)品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍(lán)達(dá)(Volt)、華晨寶馬之諾、吉利帝豪EV等都采用液冷方式。

液冷基本原理如圖2所示。汽車電池包的冷卻系為強(qiáng)制循環(huán)水冷系，即利用水泵提高冷卻液的壓力，強(qiáng)制冷卻液在電池包中通過(guò)能量交換器循環(huán)流動(dòng)。電池包的液冷系統(tǒng)主要由水泵、電池、能量交換器、水箱、冷凝器等組成。

圖2 液冷基本原理圖

在冷卻系統(tǒng)中，其實(shí)有兩個(gè)熱循環(huán)，一個(gè)是冷卻電池包的循環(huán)，另一個(gè)是電池包加熱循環(huán)，該循環(huán)需要配備特殊的加熱器。這兩個(gè)循環(huán)都以電池包為中心，使用同一冷卻液。

四、直冷

直冷(制冷劑直接冷卻)利用制冷劑(R134a等)蒸發(fā)吸熱的原理，在整車或電池系統(tǒng)中建立空調(diào)系統(tǒng)，將空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器安裝在電池系統(tǒng)中，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)并快速高效地將電池系統(tǒng)的熱量帶走，從而完成對(duì)電池系統(tǒng)的冷卻作業(yè)，如圖3所示。

圖3 直冷基本原理圖

目前，直冷的冷卻方式基本在電動(dòng)乘用車上應(yīng)用，最典型的如寶馬 i3(i3有液冷、直冷兩種冷卻方案)車型。

直冷冷卻的優(yōu)點(diǎn)在于冷卻效率比液冷高出3～4倍，更能滿足快充需求，結(jié)構(gòu)緊湊，潛在地降低了成本，避免了乙二醇溶液在電池箱體內(nèi)部的流動(dòng)等。

直冷制冷由蒸發(fā)器進(jìn)行，蒸發(fā)器與電池組的內(nèi)壁直接接觸以在電池組中進(jìn)行熱交換。這些蒸發(fā)器由S型制冷盤管組成，壓縮機(jī)構(gòu)的冷空氣流經(jīng)管道，管道溫度很低，通過(guò)這些管道間接降低了電池組內(nèi)壁的溫度，實(shí)現(xiàn)了熱交換，逐漸降低了電池組的溫度。當(dāng)電池組中的空氣遇到低溫電池組的內(nèi)壁時(shí)，其表面會(huì)形成霜(霜是水蒸氣的白色晶體，當(dāng)水蒸氣突然遇到低溫物體時(shí)，其表面會(huì)冷凝結(jié)霜)，這是直接冷卻電池組帶霜的根本原因。電池組在結(jié)霜后可由加熱系統(tǒng)自動(dòng)加熱和移除。