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动力电池冷却系统及重点车型冷却方案解析

2017-09-14 11:24:05 来源:电动汽车资源

【大比特导读】在电动汽车中,冷却系统主要分为两部分:一是对动力系统的驱动电机、车辆控制器和DC/DC等部件冷却,二是对供电系统的动力电池和车载充电器冷却。本篇探讨动力电池冷却系统。

电动汽车中,冷却系统主要分为两部分:一是对动力系统的驱动电机、车辆控制器和DC/DC等部件冷却,二是对供电系统的动力电池和车载充电器冷却。本篇探讨动力电池冷却系统。

目前,电动汽车动力电池为锂离子电池,锂离子动力电池的性能对温度变化较敏感,车辆上的装载空间有限,车辆所需电池数目较大,电池均为紧密排列连接。当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时,电池会以不同倍率放电,以不同生热速率产生大量热量,加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集,从而导致电池组运行环境温度复杂多变。

动力电池的冷却性能的好坏直接影响电池的效率,同时也会影响到电池寿命和使用安全。由于充放电过程中电池本身会产生一定热量,从而导致温度上升,而温度升高会影响电池的很多特性参数,如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿命。

为了使电池包发挥最佳性能和寿命,需要优化电池包的结构,对它进行热管理,增加散热设施,控制电池运行的温度环境。

主要冷却方案

不同的热管理系统,零部件类型的结构不同、重量不同以及系统的成本不同和控制方式不同,使得系统所达到的性能也不相同。在进行电池包热管理系统类型设计选择时,需要考虑到电池的冷却性能需求,结合整车的性能以及空间大小,系统的稳定性和成本高低也是要考虑的因素。

 

图表1 不同电池冷却方案优劣势比较

 

图表1 不同电池冷却方案优劣势比较

不同冷却系统工作示意

1、风冷

国内外电动汽车电池组的冷却方式上主要有以下几种:空气冷却、液体冷却、热管冷却。目前空气冷却方式仍然是主要采用的方法,空气冷却比较容易实现,但冷却效果不佳。

 

图表2 典型风冷系统工作示意图

 

图表2 典型风冷系统工作示意图

2、液冷

液体冷却有较好的冷却效果,而且可以使电池组的温度分布均匀,但是液体冷却对电池包的密封性有很高的要求,如果采用水这类导电液体,需用水套将液体和电池单体隔开,这样不仅增加了系统的复杂性而且降低了冷却效果。

一般冷却系统都是安装在电池组模块附近,原理和空调的制冷原理相似,冷却系统通过管路和单个电池模块相连,管路里循环流动冷却液(一般是乙二醇),将单个电池模块的热量带走,冷却系统将乙二醇制冷,多余热量通过风扇排到外界,而乙二醇再次循环进入电池模块,继续吸收电池散发的热量。

 

图表3 典型液冷系统工作示意图

 

 

图表3 典型液冷系统工作示意图

 

图表3 典型液冷系统工作示意图

3、热管技术

热管技术可以满足电池组的高温散热与低温预热双工况要求,响应快,温度均匀性好,作为电池组新的冷却方法被提出后,有了一定的发展,且作为产业研究的重点方向,但是受到布置和体积的限制,目前还没有实车使用。

 

图表4 热管技术工作示意图

 

图表4 热管技术工作示意图

从现有电动汽车动力电池冷却方式来看,风冷一直占据主要的位置,尤其是日系电动汽车,基本采用风冷系统。随着应用环境对电池的要求越来越高,液冷也成为车企业的优先方案,如特斯拉、宝马等品牌。我国主流电动乘用车企业也开始转向液冷系统,从中长期趋势来看,液冷将占据主流。

电池包冷却系统主要组件

不同的冷却系统有相对应的冷却组件:风冷系统主要部件为风机,液冷系统主要部件为冷却板。

风冷系统组件:冷却风道、风机、电阻丝

风机的选型直接影响电池包空冷系统的冷却效果。风机的选型要求如下:根据电池的热生成速率确定空气流量;满足每个模块的温升要求;基于系统所需空气流量以及系统的压降曲线选择满足要求的风机。

液冷系统组件:水冷管道、冷却泵、冷却阀、冷却板

冷却板作为电池包液冷系统中最关键的零部件之一,冷却板的选型至关重要。冷却板的选型必须满足如下要求:冷却板的压降必须满足客户要求;冷却水流动的一致性要求;爆破压力要求;冷却板的机械要求;冷却板必须通过振动和冲击载荷测试;冷却板必须满足公差要求以及空间尺寸要求。

电池冷却系统组件生产企业众多,主要部件大多由传统电气企业提供,目前电池管理系统企业及PACK组装企业也有涉及定制化产品的生产。

典型车载冷却方案

1、宝马i3

从动力电池系统角度来看,i3自2013年11月份上市以来,共进行了一次升级,即在2016年电量由22kWh,提升为33kWh,电量提高50%,这一次升级,保持了电池包体积、结构不变。宝马i3的热管理采用直冷方案(也有液冷方案),制冷剂为R134a,

 

图表5 宝马i3冷却系统

 

图表5 宝马i3冷却系统

2、特斯拉

每一辆特斯拉都有一套专门的液体循环温度管理系统围绕着每一节单体电池。“冷却液”呈绿色,由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷却液”不断地在管道中流动,最终会在车辆头部的热交换器散发出去,从而保持电池温度的均衡,防止电池局部温度过高导致电池性能下降。特斯拉的电池热管理系统可将电池组之间的温度控制在±2℃,控制好电池板的温度可有效延长电池的使用寿命。

Module之间的水冷系统采用的是并联构造而不是相互串联,其目标在于确保了流进每个Module的冷却液有着相近的温度。

 

图表6 特斯拉Model S冷却管路

 

图表6 特斯拉Model S冷却管路

3、日产LEAF

日产汽车公司的LEAF纯电动汽车采用了少见的被动式电池组热管理系统。电池组由192节33.1 Ah的层叠式锂离子电池组成。4节单体电池采用两并两串的连接形式组成模块,48个模块串联组成电池组。电池组采用密封设计,外界不通风,内部也无液冷或空冷的热管理系统,但寒冷地区有加热选件。LEAF所采用的锂离子电池经过电极设计后降低了内部阻抗,减小了产热率,同时薄层(单体厚度7.1 mm)结构使电池内部热量不易产生积聚,因此可以不采用复杂的主动式热管理系统。

4、通用Volt

通用Volt插电式混合动力汽车使用了288节45 Ah的层叠式锂离子电池。电池组的电气连接可等效为96片单体串联成组,3组并联。热管理系统采用了液冷式设计方案,以50%水与50%乙二醇混合物为冷却介质。单体电池间间隔布置了金属散热片(厚度为1mm),散热片上刻有流道槽。冷却液可在流道槽内流动带走热量。在低温环境下,加热线圈可以加热冷却液使电池升温。Volt的电池组内的温度差可控制在2°C以内。

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