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发表于 2020-5-14 09:08:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
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纯电动商用车电池热管理技术研究

郭凡,刘卫芬,张佳佳
(陕汽集团商用车有限公司,陕西 宝鸡 721006)
【中国汽车材料网】摘 要:能源危机和环境污染问题已成全球关注的焦点,新能源汽车顺势而为,纯电动汽车采用纯电驱动,更加节能、环保。随着纯电动汽车的发展,车辆的安全性、续航里程能力得到了关注,动力电池的性能很大程度上影响着整车性能,为了提升动力电池系统性能,避免热失控,研究高性能动力电池热管理系统至关重要。
关键词:纯电动;商用车;电池;热管理;研究;液冷

前言

随着能源紧缺和大气污染问题的日益严峻,节能减排已成为一个重要的社会课题,开发推广新能源汽车能够有效实现节能减排。电动汽车(EV)由于其零排放的优势,是极具发展潜力的“绿色”产品,新能源汽车具有低能耗、轻污染等优点,可以改善能源紧缺与环境污染等问题。


1 电池热管研究必要性

动力电池作为电动汽车的动力源,动力电池的工作性能影响着整车性能,动力电池的性能(主要包括其可靠性、安全性、使用寿命、成本等)在一定程度上决定了电动汽车的发展。锂离子电池因其能量密度高、性能优异等优点在电动汽车上广泛应用,锂电池的寿命、充放电容量等关键参数会随着温度变化而发生变化,在锂电池充放电过程中,其内部会发生复杂的电化学反应产生焦耳热。

商用车因高承载、使用路况复杂等特性,纯电动商用车多匹配大型化、成组化的锂离子动力电池,在充放电过程中会产生大量的热量,导致动力电池的散热量远远小于产热量,在高温、炎热的夏季,较高的环境温度以及动力电池自身产生的大量热量,直接影响动力电池性能的稳定性。低温状态下动力电池的活性降低,造成了冬季纯电动车续航能力的降低。为了尽可能延长动力电池的使用寿命并获得最大功率,同时解决高低温环境对电池的影响,需在规定温度范围内使用动力电池。原则上动力电池单元在充电温度在0℃-55℃、放电温度在-20℃-60℃范围内(实际电池温度)处于可运行状态。为了尽可能延长动力电池寿命并保证电池的安全性,在不同的环境下均需将动力电池温度维持在合理的范围内,动力电池系统匹配电池热管理系统成为电动汽车发展的一个重要方向。

综合客户要求、使用工况、成本等各因素,不同的动力电池热管理系统结构,零部件类型的结构、重量以及系统的成本以及控制方式均有差异,使得系统所达到的性能及冷却效果也不相同。


2 动力电池热管理系统分类

动力电池热管理系统主要可实现冷却、加热、温度均衡等功能,目前国内外电动汽车热管理系统主要有风冷、液冷、直冷等多种形式。


2.1 风冷热管理系统

风冷热管理系统结构根据是否有风扇可分为自然冷却和强制风冷。自然冷却就是动力电池没有额外的装置进行换热,完全靠周围环境来平衡电池包的热量。其优点是结构简单,成本低,但散热性能较弱。强制风冷是通过风扇为电池包降温,相比自然冷却模式冷却效果明显,但在高温环境下,冷却效果不佳,且不能很好的维持电池电芯温度的一致性。


2.2 液冷热管理系统

相比风冷热管理系统,液冷结构散热效率更高,对电池组的温度控制更为精确,能够很好地保证电池组的一致性,同时液冷结构可以对电池起到更好的保护效果,并且能让电池在任何环境都能提供更好的性能输出。液冷系统根据有无低温散热器可分为直接冷却液冷却系统及空冷/水冷混合冷却系统,直接冷却液冷却系统具有系统紧凑、冷却性能好但压缩机负荷高。空冷/水冷混合冷却系统具有系统紧凑、性能好且低温环境下经济节能等优点,但系统复杂、成本高、控制复杂且可靠性要求高,目前大吨位纯电动商用车及纯电动客车多采用此结构。

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图1 液冷系统示意图

2.3 直冷系统

直冷系统采用制冷剂(相变材料)作为换热介质,制冷剂能在气液相变过程中吸收了大量的热,相比冷冻液而言换热效率可提升三倍以上,可更快速的将电池系统内部的热量带走,但直冷系统无法实现电池制热,没有冷凝水保护,且制冷剂温度不易控制。尽管直冷系统具有巨大的潜能,但其导热率差等缺点还需进一步探索。

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图2 直冷系统示意图

3 动力电池热管理系统设计要求

动力电池热管理系统设计时,首先需考虑电池包适宜工作范围,广泛应用的锂离子电池正常工作温度范围为充电情况下 0-55℃,放电情况下-20℃-60℃,最佳充放电温度范围为 20℃-35℃,电池处于最佳温度充放电时可使电池性能最优及循环寿命最大化,且能有效的避免电池热失控问题。

确定动力电池系统最佳温度范围后,现阶段纯电动商用车大多采用液冷结构,根据整车需求进行进行热管理系统匹配选型,同时参照动力电池系统工作需求,制定系统工作阈值,其中环境温度的影响可根据实际电池的散热需求调节,制定电池热管理系统最佳控制模式。

通过仿真分析电池包的热特性,得到电池包相关散热参数。


表1 某纯电动商用车动力电池系统热需求参数
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整车系统将各个电池包温度及行车或充电/运行模式组合成一特定温度报文并通过 CAN 总线发送至电池热管理系统,电池热管理系统计算出电池包的温度最高值和温度平均值,并根据设定温度的要求自动进入以下模式:

压缩机制冷模式:系统控制器上电(BMS提供工作信号),当环境温度≤限定值,系统进水≥设定值,水泵运行,风扇运行,进入高温冷却模式;

自循环模式:系统控制器上电(BMS 提供工作信号),当环境温度>限定值,水泵运行,风扇运行,压缩机运行,进行低温冷却模式;

待机模式:系统上电,但是 BMS未提供工作信号,整机应处于待机状态,水泵风扇压缩机不工作。


4 结论

当前我国已经进入到新能源汽车高速发展阶段,如何提高电动汽车的安全性和使用性能已经成为所有新能源汽车企业重点关注的内容。鉴于动力电池系统对纯电动汽车的重要性,研究高性能动力电池热管理系统已是各大汽车企业主要任务,研究更高效的电池热管理系统,不但可提升动力电池系统温度控制精准度,同时也降低了电池热失控风险。


参考文献
[1] 电动汽车动力电池系统设计与制造[M].科学出版社,2017.
[2] 雷治国,张承宁.电动汽车电池组热管理系统的研究进展[J].电源技术,2011(12).
[3] 王雅,方林.锂离子动力电池热管理方法研究进展[J].船电技术,2019.
[4] 杨国胜.电动汽车动力电池组热管理系统研究[J].管理科学,2015.


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