純電動(dòng)商用車電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究

郭凡 劉衛(wèi)芬 張佳佳

摘 要：能源危機(jī)和環(huán)境污染問題已成全球關(guān)注的焦點(diǎn)，新能源汽車順勢(shì)而為，純電動(dòng)汽車采用純電驅(qū)動(dòng)，更加節(jié)能、環(huán)保。隨著純電動(dòng)汽車的發(fā)展，車輛的安全性、續(xù)航里程能力得到了關(guān)注，動(dòng)力電池的性能很大程度上影響著整車性能，為了提升動(dòng)力電池系統(tǒng)性能，避免熱失控，研究高性能動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng);商用車;電池;熱管理;研究;液冷

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(yán)峻，節(jié)能減排已成為一個(gè)重要的社會(huì)課題，開發(fā)推廣新能源汽車能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。電動(dòng)汽車（EV）由于其零排放的優(yōu)勢(shì)，是極具發(fā)展?jié)摿Φ摹熬G色”產(chǎn)品，新能源汽車具有低能耗、輕污染等優(yōu)點(diǎn)，可以改善能源緊缺與環(huán)境污染等問題。

1 電池?zé)峁苎芯勘匾?/p>

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，動(dòng)力電池的工作性能影響著整車性能，動(dòng)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(dòng)汽車的發(fā)展。鋰離子電池因其能量密度高、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)汽車上廣泛應(yīng)用，鋰電池的壽命、充放電容量等關(guān)鍵參數(shù)會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生變化，在鋰電池充放電過程中，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生焦耳熱。

商用車因高承載、使用路況復(fù)雜等特性，純電動(dòng)商用車多匹配大型化、成組化的鋰離子動(dòng)力電池，在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致動(dòng)力電池的散熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)熱量，在高溫、炎熱的夏季，較高的環(huán)境溫度以及動(dòng)力電池自身產(chǎn)生的大量熱量，直接影響動(dòng)力電池性能的穩(wěn)定性。低溫狀態(tài)下動(dòng)力電池的活性降低，造成了冬季純電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力的降低。為了盡可能延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命并獲得最大功率，同時(shí)解決高低溫環(huán)境對(duì)電池的影響，需在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用動(dòng)力電池。原則上動(dòng)力電池單元在充電溫度在0℃-55℃、放電溫度在-20℃-60℃范圍內(nèi)（實(shí)際電池溫度）處于可運(yùn)行狀態(tài)。為了盡可能延長(zhǎng)動(dòng)力電池壽命并保證電池的安全性，在不同的環(huán)境下均需將動(dòng)力電池溫度維持在合理的范圍內(nèi)，動(dòng)力電池系統(tǒng)匹配電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成為電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)重要方向。

綜合客戶要求、使用工況、成本等各因素，不同的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，零部件類型的結(jié)構(gòu)、重量以及系統(tǒng)的成本以及控制方式均有差異，使得系統(tǒng)所達(dá)到的性能及冷卻效果也不相同。

2 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分類

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)冷卻、加熱、溫度均衡等功能，目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)主要有風(fēng)冷、液冷、直冷等多種形式。

2.1 風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)

風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)是否有風(fēng)扇可分為自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷。自然冷卻就是動(dòng)力電池沒有額外的裝置進(jìn)行換熱，完全靠周圍環(huán)境來平衡電池包的熱量。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但散熱性能較弱。強(qiáng)制風(fēng)冷是通過風(fēng)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(huán)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(tǒng)

相比風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)，液冷結(jié)構(gòu)散熱效率更高，對(duì)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(shí)液冷結(jié)構(gòu)可以對(duì)電池起到更好的保護(hù)效果，并且能讓電池在任何環(huán)境都能提供更好的性能輸出。液冷系統(tǒng)根據(jù)有無低溫散熱器可分為直接冷卻液冷卻系統(tǒng)及空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)，直接冷卻液冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、冷卻性能好但壓縮機(jī)負(fù)荷高?？绽?水冷混合冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、性能好且低溫環(huán)境下經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、控制復(fù)雜且可靠性要求高，目前大噸位純電動(dòng)商用車及純電動(dòng)客車多采用此結(jié)構(gòu)。

2.3 直冷系統(tǒng)

直冷系統(tǒng)采用制冷劑（相變材料）作為換熱介質(zhì)，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(tǒng)內(nèi)部的熱量帶走，但直冷系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)電池制熱，沒有冷凝水保護(hù)，且制冷劑溫度不易控制。盡管直冷系統(tǒng)具有巨大的潛能，但其導(dǎo)熱率差等缺點(diǎn)還需進(jìn)一步探索。

3 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)要求

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需考慮電池包適宜工作范圍，廣泛應(yīng)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(shí)可使電池性能最優(yōu)及循環(huán)壽命最大化，且能有效的避免電池?zé)崾Э貑栴}。

確定動(dòng)力電池系統(tǒng)最佳溫度范圍后，現(xiàn)階段純電動(dòng)商用車大多采用液冷結(jié)構(gòu)，根據(jù)整車需求進(jìn)行進(jìn)行熱管理系統(tǒng)匹配選型，同時(shí)參照動(dòng)力電池系統(tǒng)工作需求，制定系統(tǒng)工作閾值，其中環(huán)境溫度的影響可根據(jù)實(shí)際電池的散熱需求調(diào)節(jié)，制定電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)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(guān)散熱參數(shù)。

整車系統(tǒng)將各個(gè)電池包溫度及行車或充電/運(yùn)行模式組合成一特定溫度報(bào)文并通過 CAN 總線發(fā)送至電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)計(jì)算出電池包的溫度最高值和溫度平均值，并根據(jù)設(shè)定溫度的要求自動(dòng)進(jìn)入以下模式：

壓縮機(jī)制冷模式：系統(tǒng)控制器上電（BMS提供工作信號(hào)），當(dāng)環(huán)境溫度≤限定值，系統(tǒng)進(jìn)水≥設(shè)定值，水泵運(yùn)行，風(fēng)扇運(yùn)行，進(jìn)入高溫冷卻模式;

自循環(huán)模式：系統(tǒng)控制器上電（BMS 提供工作信號(hào)），當(dāng)環(huán)境溫度>限定值，水泵運(yùn)行，風(fēng)扇運(yùn)行，壓縮機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行低溫冷卻模式;

待機(jī)模式：系統(tǒng)上電，但是BMS未提供工作信號(hào)，整機(jī)應(yīng)處于待機(jī)狀態(tài)，水泵風(fēng)扇壓縮機(jī)不工作。

4 結(jié)論

當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入到新能源汽車高速發(fā)展階段，如何提高電動(dòng)汽車的安全性和使用性能已經(jīng)成為所有新能源汽車企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。鑒于動(dòng)力電池系統(tǒng)對(duì)純電動(dòng)汽車的重要性，研究高性能動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)已是各大汽車企業(yè)主要任務(wù)，研究更高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，不但可提升動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度控制精準(zhǔn)度，同時(shí)也降低了電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。

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