商用新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)運(yùn)用

＊陳旭斌

（寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司 福建 352100）

1.新能源汽車的發(fā)展

全球污染嚴(yán)重，溫度上升，威脅著人類的生命安全。因此，降低碳排放是全世界各國(guó)人民的心聲也是各國(guó)目前亟需解決的事情。對(duì)于汽車行業(yè)，傳統(tǒng)汽車受到不可再生資源石油的影響越來(lái)越大，能源問(wèn)題對(duì)于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，汽車尾氣不僅對(duì)環(huán)境有持續(xù)的污染，也時(shí)刻影響著人類的身體健康。為了應(yīng)對(duì)資源的枯竭并改善環(huán)境，各個(gè)國(guó)家和企業(yè)逐步投入新能源的領(lǐng)域。目前，中國(guó)大力倡導(dǎo)發(fā)展新能源汽車，而且發(fā)展迅速，技術(shù)更新迭代時(shí)間縮短，逐漸刷新歷史。由燃油車時(shí)代進(jìn)入新能源汽車時(shí)代，中國(guó)走到世界前列，創(chuàng)造了一個(gè)新生市場(chǎng)。

自2021年起，新能源商用車產(chǎn)銷量迎來(lái)質(zhì)的飛躍。市場(chǎng)由單純的政策驅(qū)動(dòng)向政策疊加創(chuàng)新模式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，車型品系更豐富，換電與充電并進(jìn)。長(zhǎng)期來(lái)看，新能源商用車將隨技術(shù)和規(guī)模發(fā)展迎來(lái)成本和技術(shù)驅(qū)動(dòng)階段。

根據(jù)中協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，表1顯示，新能源商用車銷量在近三年處于上升趨勢(shì)。其中2020年產(chǎn)銷量存在一定下滑。但在2021年新能源商用車的產(chǎn)銷量較2020年相比增幅較大，其中新能源卡車（含新能源重卡、輕卡、微卡和皮卡）占比31%，累計(jì)銷售4.9817萬(wàn)輛，同比（2020年新能源卡車?yán)塾?jì)銷售19224輛）增長(zhǎng)159.1%，增幅較大。

表1 2019—2021年近三年新能源商用車產(chǎn)銷量統(tǒng)計(jì)表

2.新能源汽車電池?zé)峁芾淼谋匾?/h2>

自從新能源汽車量產(chǎn)以來(lái)，銷量逐年上升。動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力能源存儲(chǔ)單元，其單位質(zhì)量下所能存儲(chǔ)的電量大小，使用壽命周期的長(zhǎng)短，安全性和可靠性均與電動(dòng)車的各項(xiàng)性能有著密切關(guān)系。鋰離子動(dòng)力電池的充放電倍率、循環(huán)使用壽命和安全可靠性等特性對(duì)于溫度的敏感性較高，在適宜的環(huán)境溫度下鋰離子電池的各項(xiàng)性能才能發(fā)揮出來(lái)并且在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。有研究表明、鋰離子電池的最佳工作溫度范國(guó)在25℃到40℃，并且單體電池間的溫差需要小于5℃[1]，這就給電池的均一性提出了更高的要求。溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低電池的性能，影響電池壽命。純電動(dòng)汽車作為龐大的電量輸出物需要耗費(fèi)巨大的電量，而電動(dòng)車為了提高續(xù)航能力，電池包通常由上百個(gè)鋰離子單體電池串并聯(lián)組成?，F(xiàn)有研究表明，電池的材料性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特性差異會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)熱和傳熱產(chǎn)生差異性，在電池實(shí)際的工作狀態(tài)中，電池的表面和內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布不均勻，在極端充放電的工況下，溫度的不均勻現(xiàn)象會(huì)放大數(shù)倍。導(dǎo)致電池包的內(nèi)部不同位置的溫差增大，影響電池包的各項(xiàng)性能指標(biāo)[2]。再者，在能量輸入和輸出的時(shí)候，電池會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若熱量不能及時(shí)散發(fā)掉，有可能導(dǎo)致熱失控，嚴(yán)重的情況下甚至發(fā)生爆炸引起火災(zāi)，威助人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。因此，給電池提供一個(gè)良好的工作環(huán)境，保持其適宜的工作環(huán)境溫度，這就要求動(dòng)力電池具備高效穩(wěn)定、精準(zhǔn)并快速響應(yīng)等特性的電池包熱管理系統(tǒng)。

3.新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)發(fā)展歷程

在2018年前，國(guó)內(nèi)商用車和乘用車鋰離子電池主流熱管理系統(tǒng)為自然冷卻，自然冷卻電池包中的電芯通過(guò)自身結(jié)構(gòu)及其傳熱路徑將電芯工作過(guò)程產(chǎn)生的熱量散發(fā)到外界環(huán)境，該方案具有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，但其缺乏電池溫度主動(dòng)熱管理措施，其電池冷卻性能受限較大，隨著客戶對(duì)新能源汽車充電時(shí)間和適用環(huán)境的需求逐漸提升，自然冷卻電池包已無(wú)法滿足上述需求。常見的客戶抱怨有充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、夏季開車過(guò)程出現(xiàn)高溫報(bào)警、電池壽命衰減嚴(yán)重等問(wèn)題。隨著新能源汽車運(yùn)行年限增加，電池續(xù)航里程明顯降低。部分整車廠為了克服上述困難，試圖通過(guò)采取增加電池配電量的方式，以降低相同行車工況下的電池工作電流，進(jìn)而降低電池升溫。但此方案嚴(yán)重增加了整車成本，在市場(chǎng)推廣時(shí)受限極大。因此如何開發(fā)一款適用于新能源汽車的熱管理系統(tǒng)顯得十分必要和緊迫。在此背景下，2018年后國(guó)內(nèi)各大新能源汽車廠相繼推出了帶電池液冷系統(tǒng)的車型，以滿足市場(chǎng)客戶對(duì)高溫環(huán)境下大功率行車及電池續(xù)航里程衰減小的需求。

4.鋰離子電池不同熱管理系統(tǒng)傳熱性能差異

新能源汽車電池散熱主要為熱傳導(dǎo)，熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分[4]，傳熱過(guò)程遵循傅里葉（Fourier）定律，電池自身在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的形勢(shì)傳遞至外界環(huán)境，傳熱方程如下：

式中，C：電池比熱容（J/(kg·K)）；

m：電池質(zhì)量（kg）；

△T：電池溫度溫升（K）；

Q：電池產(chǎn)熱量（J）；

h：傳熱系數(shù)（W/(m2·K)）；

A：換熱面積（m2）；

Tcell：電池溫度（K）；

T冷卻介質(zhì)：熱管理系統(tǒng)冷卻介質(zhì)溫度（K）。

不同電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)如表2所示，可發(fā)現(xiàn)電池液冷方式在換熱性能方面遠(yuǎn)高于其它兩種電池?zé)峁芾矸桨?、呈現(xiàn)出數(shù)量級(jí)的差異。電池液冷系統(tǒng)在性能上的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)并得到市場(chǎng)認(rèn)可。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)新能源汽車鋰離子電池?zé)峁芾矸桨敢矎淖匀焕鋮s方案迭代到液冷方案。

表2 不同電池冷卻方式換熱系數(shù)對(duì)比

5.商用車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)發(fā)展

早期鋰離子動(dòng)力電池開始被運(yùn)用到商用車時(shí)，整車對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的需求更多的是希望動(dòng)力電池以整包的形式被裝配到整車后能直接使用，盡可能減少整車和鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的集成工作，降低新能源汽車與動(dòng)力電池集成技術(shù)難度，以降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和周期，商用車動(dòng)力電池風(fēng)冷和液冷系統(tǒng)在早期推廣阻力極大。

隨著客戶對(duì)動(dòng)力電池使用性能的要求逐步提升，動(dòng)力電池需要提供更大的充電倍率以縮短充電時(shí)間，動(dòng)力電池需要輸出更大的工作電流和每天工作循環(huán)次數(shù)以控制整車動(dòng)力電池成本。早期在技術(shù)探究階段，風(fēng)冷動(dòng)力電池系統(tǒng)由于其具備一定的冷卻性能、成本相對(duì)液冷系統(tǒng)低和無(wú)冷卻液泄露風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)被市場(chǎng)作為動(dòng)力電池?zé)峁芾砜尚行匝芯糠较蛑弧５捎谏逃密噭?dòng)力電池為多電箱分散式的布置形式，風(fēng)冷動(dòng)力電池對(duì)整車熱管理空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)結(jié)構(gòu)、回風(fēng)結(jié)構(gòu)、分流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了極高要求，對(duì)應(yīng)需的產(chǎn)品開發(fā)周期也相對(duì)較長(zhǎng)，無(wú)法滿足商用車訂單式開發(fā)模式。

液冷動(dòng)力電池系統(tǒng)相對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)受整車電池布置位置垂直方向高度、水平方向距離和布置環(huán)境溫度等邊界條件影響較小，液冷系統(tǒng)電池包對(duì)整車空調(diào)系統(tǒng)的需求主要為電池包冷卻液入口流量和溫度。整車電池包空間布置差異主要影響整車電池?zé)峁芾硪豪湎到y(tǒng)到電池入口的管路長(zhǎng)度，而整車液冷系統(tǒng)到電池包的連接管路長(zhǎng)度差異對(duì)各支路流量分配差異影響較小。以某典型商用10m車動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，該車型冷卻液回路分為4條分支路，每條分支路串聯(lián)3個(gè)電池包，電池包分散布置在車輛頂部、車身兩側(cè)和車輛尾艙。通過(guò)分析得出上述整車動(dòng)力電池空間布置差異在單支路電池包冷卻液平均流量為600L/h的情況下，最終對(duì)各分支路流量分配影響＜30L/h。

動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)由于其具有良好的冷卻效果和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力等優(yōu)勢(shì)被用于解決動(dòng)力電池在市場(chǎng)運(yùn)用過(guò)程中遇到的高倍率充電和放電使用需求。以重型卡車為例，車輛一天行駛所消耗的電量為車輛配置電量的2到3倍，車輛一天需要行駛約12h。在此嚴(yán)苛的工作條件下，新能源汽車動(dòng)力電池持續(xù)工作并產(chǎn)生熱量，為保證新能源汽車動(dòng)力電池能夠穩(wěn)定運(yùn)行，需要整車熱管理系統(tǒng)將動(dòng)力電池產(chǎn)生的熱量第一時(shí)間傳遞至外界環(huán)境，以保證電池具備良好的工作溫度。

6.商用車電池?zé)峁芾硪豪湎到y(tǒng)方案

整車為動(dòng)力電池提供制冷量的空調(diào)液冷系統(tǒng)方案分為獨(dú)立式和集成式，獨(dú)立式液冷機(jī)組是專門為電池系統(tǒng)定制開發(fā)的液冷機(jī)組，專門用于電池系統(tǒng)散熱，獨(dú)立式液冷機(jī)組中包含壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)扇、蒸發(fā)器、膨脹閥和水泵等完整的空調(diào)系統(tǒng)元器件。集成式液冷系統(tǒng)是將整車乘客艙空調(diào)與電池冷卻模塊集成，在原有整車空調(diào)系統(tǒng)中并聯(lián)電池冷卻回路，并聯(lián)回路中包含板式換熱器、膨脹閥和水泵等部件。集成式液冷系統(tǒng)收到電池系統(tǒng)請(qǐng)求制冷時(shí)，整車空調(diào)系統(tǒng)中的電池冷卻回路啟動(dòng)工作，整車空調(diào)通過(guò)系統(tǒng)中的循環(huán)冷媒將電池回路中的熱量通過(guò)冷凝器散熱至外界環(huán)境。

接下來(lái)從性能和成本角度分析兩種方案的優(yōu)劣勢(shì)。車輛行駛階段集成式液冷系統(tǒng)在夏季不影響乘客艙空調(diào)使用的情況下可提供給電池液冷系統(tǒng)的制冷功率相對(duì)有限，通常為3kW到5kW制冷功率。車輛充電階段整車空調(diào)系統(tǒng)中的乘客艙空調(diào)無(wú)制冷需求，整車空調(diào)系統(tǒng)將原有乘客艙區(qū)域制冷功率轉(zhuǎn)移至動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)，因此集成式液冷系統(tǒng)在充電階段可為動(dòng)力電池提供相對(duì)充足的制冷功率，通?？商峁┏^(guò)12kW的制冷功率。而獨(dú)立式液冷系統(tǒng)是為動(dòng)力電池散熱而專門配置的熱管理系統(tǒng)，其可在充電和行車放電階段為動(dòng)力電池提供穩(wěn)定的制冷功率，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見的為8kW獨(dú)立式液冷系統(tǒng)。

集成式液冷機(jī)組在乘客艙空調(diào)基礎(chǔ)上增加并聯(lián)支路，增加了水泵、板換、膨脹閥等部件，其成本相比獨(dú)立式液冷機(jī)組具有較大優(yōu)勢(shì)，以市場(chǎng)廣泛運(yùn)用的8kW獨(dú)立式液冷機(jī)組和10米大巴車集成液冷系統(tǒng)為例，集成式液冷系統(tǒng)為提供電池制冷量而增加的并聯(lián)支路成本約為獨(dú)立式液冷系統(tǒng)的20%到28%。

表3 集成式與獨(dú)立式液冷系統(tǒng)制冷功率與成本對(duì)比

基于上述兩種熱管理系統(tǒng)在行車放電和充電階段所具備的制冷功率，可得出集成式液冷機(jī)組適用于制冷量需求較低的低倍率放電運(yùn)用場(chǎng)景，而獨(dú)立式液冷機(jī)組適用于制冷量需求較大的高倍率放電運(yùn)用場(chǎng)景。當(dāng)前商用車模塊運(yùn)用液冷系統(tǒng)的車型主要為大巴車、重卡、和工程機(jī)械。從電池工作過(guò)程的需求制冷量來(lái)分析，大巴車行車倍率相對(duì)較小，在電池滿電量情況下至少可連續(xù)行車4h。重卡和工程機(jī)械由于使用工況較惡劣，在電池滿電量情況下僅能連續(xù)行車2～3h。從整車原有空調(diào)配置來(lái)分析，重卡與工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)只需給駕駛艙提供制冷量，其制冷功率相對(duì)較小，通常為4kW到5kW，而行車階段需要提供給電池系統(tǒng)的制冷量至少為8kW，因此在原有乘客艙空調(diào)系統(tǒng)中新增電池冷卻并聯(lián)支路需要的變動(dòng)量較大，需要更換原有空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)、冷凝器等部件以滿足電池冷卻需求。而大巴車原有乘客艙制冷量需求通常為14～22kW，不同長(zhǎng)度車型因乘客艙空間差異而對(duì)應(yīng)的制冷量需求量不同，整車空調(diào)系統(tǒng)并聯(lián)電池液冷系統(tǒng)需要新增的制冷功率為3～5kW，該制冷功率增加對(duì)原有空調(diào)系統(tǒng)改動(dòng)量相對(duì)較小，電池系統(tǒng)所需要的制冷量可通過(guò)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和軟件策略優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜上所述，集成式液冷系統(tǒng)適用于大巴車型電池系統(tǒng)冷卻，而獨(dú)立式液冷系統(tǒng)適用于重卡和工程師機(jī)械車型的電池系統(tǒng)冷卻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，獨(dú)立式液冷機(jī)組在重卡和工程機(jī)械車型的市場(chǎng)占有率已超過(guò)95%，獨(dú)立式液冷機(jī)組已成為重卡和工程機(jī)械主流的電池冷卻系統(tǒng)。集成式空調(diào)由于其成本具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且可滿足大巴車型電池系統(tǒng)日常的運(yùn)行工況制冷功率需求，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)廣泛運(yùn)用于大巴車型動(dòng)力電池冷卻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，集成式液冷機(jī)組在大巴車型的市場(chǎng)占有率已超過(guò)90%，集成式液冷機(jī)組已成為大巴車型主流的動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)。

表4 各車型主流電池液冷系統(tǒng)及其市場(chǎng)占比

7.總結(jié)

隨著動(dòng)力電池在商用車領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，且市場(chǎng)對(duì)動(dòng)力電池使用壽命和充放電性能的需求逐浙提升，液冷系統(tǒng)由于其具有更好的抗整車環(huán)境和空間布置干擾性得到了市場(chǎng)的廣泛運(yùn)用。集成式液冷機(jī)組由于其成本優(yōu)勢(shì)且可滿足低倍率放電工況需求，被廣泛運(yùn)用于大巴車型動(dòng)力電池冷卻，市場(chǎng)占比已超過(guò)90%。重卡與工程機(jī)械車型由于其動(dòng)力電池行車階段放電倍率較高，冷卻功率需求較大，獨(dú)立式液冷系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于重卡與工程機(jī)械車型的動(dòng)力電池冷卻，市場(chǎng)占比已超過(guò)95%。