混合動(dòng)力車(chē)型動(dòng)力電池風(fēng)冷和液冷技術(shù)對(duì)比

王錦艷 伍俊 孫蕭 張彩虹

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司,寧波 315338）

主題詞：動(dòng)力電池 熱管理 風(fēng)冷 液冷

1 引言

鋰離子電池是一種極具發(fā)展前景的高能量密度電池[1]，是當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)內(nèi)新能源汽車(chē)應(yīng)用最為廣泛的電池類(lèi)型。鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括正負(fù)極、集流體、隔膜以及電解液，常見(jiàn)的正極材料有磷酸鐵鋰、三元鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰，負(fù)極材料一般為石墨、硅碳復(fù)合物[2]。鋰離子電池的反應(yīng)原理是鋰離子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在充電過(guò)程中，正極材料中的鋰離子脫出，穿過(guò)隔膜嵌入到負(fù)極的石墨碳層中；在電池放電時(shí)，鋰離子又從負(fù)極石墨中脫出[3]回到正極，因此鋰離子電池又被稱(chēng)為是“搖椅”電池。

鋰離子電池的可用電量影響車(chē)輛的續(xù)駛里程，放電功率影響車(chē)輛的動(dòng)力性,充電功率影響車(chē)輛的充電速度。上述電池的特性與電池的電壓、內(nèi)阻、容量、荷電狀態(tài)、循環(huán)壽命息息相關(guān)，而電池參數(shù)的變化又很容易受到溫度的影響[4-5]。當(dāng)鋰離子電池工作環(huán)境溫度較高時(shí)，電池材料的化學(xué)活性會(huì)有所提高，因此電池的放電容量能夠有一定的提升，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電池材料的老化速度加快，電池極化嚴(yán)重，循環(huán)壽命衰減嚴(yán)重。如果工作溫度過(guò)高，電池可能會(huì)起火、爆炸，危害車(chē)輛和車(chē)上人員的安全。當(dāng)鋰離子電池在低溫下工作時(shí)，電池材料的化學(xué)活性會(huì)有所下降，電池充放電容量減小、極化增大，電池容易生成枝晶，造成內(nèi)短路事故，同時(shí)影響電池的循環(huán)壽命[6]。

綜上，做好電池?zé)峁芾恚瑢㈦姵乜刂圃谶m宜工作溫度顯得尤為重要，這樣才能更好的發(fā)揮電池作為新能源車(chē)輛動(dòng)力源的功能，同時(shí)保證車(chē)輛及人員安全。風(fēng)冷和液冷是目前電池?zé)峁芾響?yīng)用最多的冷卻方式，本文對(duì)2種冷卻方式實(shí)際應(yīng)用車(chē)型進(jìn)行冷卻原理分析及熱平衡測(cè)試，通過(guò)分析冷卻介質(zhì)的溫度與電芯溫度數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確的了解2種冷卻方式在動(dòng)力電池上的表現(xiàn)，根據(jù)2款車(chē)型特點(diǎn)，判斷風(fēng)冷技術(shù)僅適用于電池電量2 kW·h以?xún)?nèi)的混動(dòng)車(chē)型，而液冷技術(shù)適用于高電量的插電混動(dòng)車(chē)型。

2 風(fēng)冷技術(shù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

動(dòng)力電池風(fēng)冷技術(shù)是指利用空氣作為熱量交換載體，控制動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的技術(shù)，該技術(shù)通常使用風(fēng)扇和管道完成空氣在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)，利用空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的加熱和冷卻。由于風(fēng)冷技術(shù)散熱能力有限，通常對(duì)于非插電式混動(dòng)汽車(chē)，電池電量在2 kW·h以?xún)?nèi)會(huì)采用風(fēng)冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的熱管理。圖1是一款混動(dòng)車(chē)型的動(dòng)力電池包，采用風(fēng)冷技術(shù)，從乘員艙引入氣流，經(jīng)過(guò)風(fēng)扇后并行進(jìn)入電池包，調(diào)節(jié)電池單體溫度后，從后端出風(fēng)口排出至車(chē)外。

圖1 動(dòng)力電池風(fēng)冷系統(tǒng)

對(duì)一款采用風(fēng)冷技術(shù)的混動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行熱管理測(cè)試，測(cè)試工況見(jiàn)表1，在高溫環(huán)境下對(duì)車(chē)輛山路爬坡、最大車(chē)速、城市工況進(jìn)行測(cè)試，記錄電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)參數(shù)。電池包內(nèi)空氣溫度、電芯溫度和電池荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）隨不同測(cè)試工況的變化曲線如圖2所示，主要結(jié)果如下。

圖2 不同工況風(fēng)冷技術(shù)熱管理測(cè)試結(jié)果

表1 熱管理測(cè)試工況

（1）電芯溫度最高為53℃，出現(xiàn)在山路爬坡工況，城市怠速工況次之，為52℃，最大車(chē)速工況電芯溫度最高為46℃；在高溫環(huán)境下，電芯溫度在55℃以?xún)?nèi)，平均溫度為40℃，處于較高的溫度水平；

（2）電池包內(nèi)空氣溫度在山路爬坡、城市怠速工況均在43～47℃之間，在最大車(chē)速工況時(shí)在34～42℃之間，該溫度值與車(chē)速關(guān)聯(lián)較強(qiáng)；

（3）該車(chē)電池包電量約為1.5 kW·h，電池SOC在40%～80%之間波動(dòng)。

3 液冷技術(shù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

動(dòng)力電池液冷技術(shù)是指利用冷卻液作為熱量交換載體，控制動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的技術(shù)，該技術(shù)通常使用水泵和管道完成冷卻液在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)。根據(jù)不同車(chē)型，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)、恒溫加熱器（Positive Temperature Coefficient，PTC）和電驅(qū)回路的熱量對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱?？刹捎贸Ｒ?guī)散熱器與外界空氣進(jìn)行熱交換來(lái)對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫，也可通過(guò)電池?fù)Q熱器，利用空調(diào)冷媒與冷卻液進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池液冷系統(tǒng)的冷卻。對(duì)于上述2種方式，在同一車(chē)型上，一般為同時(shí)采用或單獨(dú)采用電池冷卻器。液冷技術(shù)散熱能力較好，在純電動(dòng)汽車(chē)與插電混汽車(chē)上應(yīng)用廣泛。圖3是一款車(chē)型的動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)，根據(jù)電池包的溫度控制電池冷卻液和水加熱器的開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)回路內(nèi)冷卻液的溫度調(diào)節(jié)，從而使動(dòng)力電池包處于適宜的工作溫度。

圖3 動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)

對(duì)一款插電混動(dòng)車(chē)進(jìn)行測(cè)試，該車(chē)電池電量為35 kW·h，采用電池冷卻器利用空調(diào)冷媒與冷卻液進(jìn)行熱交換，對(duì)動(dòng)力電池降溫，電池加熱利用PTC進(jìn)行。按照該車(chē)測(cè)試工況（表1），對(duì)城市怠速工況及最大車(chē)速進(jìn)行了熱管理測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。電池包進(jìn)水溫度、電池包出水溫度、電芯溫度、空調(diào)高壓隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，主要結(jié)果如下。

圖4 液冷技術(shù)熱管理測(cè)試結(jié)果

（1）電芯溫度在約38℃時(shí)，空調(diào)高壓明顯升高，電池冷卻器工作對(duì)電池包進(jìn)行降溫，當(dāng)電池包進(jìn)水溫度降至約25℃時(shí)電池冷卻器停止工作；

（2）在最大車(chē)速工況，電池包電芯溫度最高達(dá)40℃，最低為37.5℃，平均為38.5℃；

（3）在城市怠速工況，電池包電芯溫度最高達(dá)39℃，最低為37.5℃，平均為38.6℃；

（4）采用液冷技術(shù)，電芯溫度較為穩(wěn)定，電芯溫度的調(diào)節(jié)僅與空調(diào)負(fù)載有關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)采用風(fēng)冷和液冷技術(shù)的車(chē)型進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，得出以下結(jié)論。

（1）系統(tǒng)硬件方面

風(fēng)冷技術(shù)包含的零部件少，所需布置空間不大，設(shè)計(jì)難度不高；

液冷技術(shù)包含零部件較多，冷卻液加熱及冷卻需要不同的部件實(shí)現(xiàn)，與空調(diào)冷媒、前端進(jìn)風(fēng)、發(fā)動(dòng)機(jī)回路都有可能存在交互，回路設(shè)計(jì)多變，設(shè)計(jì)難度較高；

（2）冷卻效果方面

風(fēng)冷技術(shù)通過(guò)空氣作為冷卻媒介，散熱效果有限，僅適用于非插電混動(dòng)車(chē)型，在高溫工況下，動(dòng)力電池處于較高的工作溫度，動(dòng)力電池存在高溫?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)；

液冷技術(shù)通過(guò)冷卻液作為冷卻媒介，利用空調(diào)冷媒進(jìn)行降溫，散熱效果顯著，可適用于插電式混動(dòng)車(chē)型，在高溫工況下，動(dòng)力電池可以保持在較為適宜的工作溫度，動(dòng)力電池的功能、安全都能得到比較有效的保證。