【好文推荐】新能源汽车动力电池热管理技术浅析

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摘要：近年来，随着工业技术的发展，新能源汽车的技术发展也越来越成熟，在外部环境和内部环境的推动下，新能源汽车市场规模也逐渐增大。电池作为新能源汽车中最重要的零部件，它的寿命和使用效率决定了汽车使用性能。其中对电池寿命影响重要因素之一就是它的工作温度，为了使电池始终处于一个合适的温度范围内，电池的热管理技术就显得尤为重要。本文就新能源汽车电池的热管理系统技术展开分析。1 引言

新能源汽车在国家政策的支持下，在面对传统能源枯竭的情况下，发展得越来越迅速，越来越成熟。根据中国汽车报数据显示，2022年底，中国汽车市场新能源汽车连连创历史新高，1-11月，新能源汽车产销分别完成625.3万量和606.7万量，同比均增长1倍，市场占有率达25%，均创下历史新高。在市场需求不断增加得情况下，对产品的可靠性也提出了更高要求。电池作为新能源汽车最关键的零部件，它的使用耐久性和续航能力更是用户最关注的问题，而电池的热管理是影响电池使用寿命和低温续航能力的重要技术之一。2 新能源整车热管理

2.1 整车热管理组成

新能源车型的冷却系统一般由三个部分组成：电池冷却循环系统、电机电控冷却循环系统、空调暖风循环系统。而PHEV车型的还多一个发动机冷却循环系统。电池循环系统主要为电池加热或冷却，电机循环系统主要冷却驱动电机和CIDD（驱动电机控制器），空调暖风系统主要给乘员舱加热或制冷。主要涉及的功能部件有电子水泵、三通电磁阀、两通电磁阀、PTC、热交换器、液气分离器、散热器、膨胀水壶、冷却管路以及各种固定支架等。以电子水泵为动力源，冷却液为介质，电磁阀控制流向，使冷却介质沿着管路流经散热器、被冷却体，通过热量交换从而进行散热降温，使功能件的工作温度始终保持在一个理想工作范围内，使其性能最大化。不管是纯电动车型还是混合动力车型，电池热管理循环回路都是独立于其他系统，主要原因是电池包的正常工作温度范围与其他系统相差较大。电池包的工作温度一般情况不允许超过35℃，而驱动电机则经常工作在55℃左右，发动机工作温度范围则在95℃左右，因此各回路必须分别独立运行。2.2 与传统汽车热管理的差异

传统汽车的热管理单一，没有复杂的控制和零部件系统，它的目标只需要保证发动机温度始终工作在一个理想的范围，而为乘员舱提供需要的热量则是利用发动机工作产生的余热，完全不消耗额外功率。新能源汽车与传统汽车在系统结构上就存在着较大的差异，系统零部件在整车上布置安装的要求也随之提高，对机舱的空间需求更大，不同类型的新能源汽车又有着不同的特点；对于纯电动车而言，没有发动机作为冷却液循环的动力源，也没有发动机的余热可以利用。而对于混合动力汽车来说，因为其特殊的控制策略，发动机在不工作的时候也无法为冷却液的循环提供动力，也不能实时的为乘员舱提供所需要的热源。因此在结构上，新能源车型的热管理系统都设计有独立的电子水泵为冷却液的循环提供动力，暖风则通常采用电加热方式，设计独立的电加热PTC把冷却液加热后，冷却液再循环到车内暖水箱给乘员舱提供热量，这是目前主流的方式；也有一种是直接加热经过蒸发箱的空气，通过风机把热量吹进车内，这种方式因为涉及到车内安全，目前极少采用。3 电池热管理系统的种类

不同的电池热管理方式，所涉及的零件数量，结构，布置方式均不相同，根据整车开发成本、整车重量、以及布置空间等要求，从而选择不同类型的热管理系统。其主要的技术路线有以下五种类型：3.1 直接冷却型

简称电池直冷技术，直冷系统是电池内部内置制冷蒸发器，通过管路与空调系统连接，在电池需求冷却时，利用压缩机把压缩后的冷媒送入电池内部蒸发器，然后带走电池内部热量达到冷却效果。该系统结构紧凑，制冷效果好，零部件数量少（只需要一进一出的制冷管路），重量轻等优点。但是此系统的缺点是无法在零下低温条件下给电池加热，制冷过程中产生的冷凝水无保护，而且制冷剂的温度均匀性不易控制，制冷系统的寿命短，可靠性低，常常发生制冷剂泄漏，制冷能力不足等故障。这是目前最新的电池冷却技术，成熟度比较低，市场上量产车型有比亚迪、特斯拉等车型已经开始应用，是未来的一个主要技术路线，见图1。

图1 电池直冷系统简图3.2 散热器水冷型

散热器冷却回路是一个独立的回路，由散热器、电子水泵、加热器等组成，以防冻液为介质，防冻液从散热器出来，经过加热器再到电池，最后又回到散热器，通过这种循环方式来给电池冷却和加热。该系统结构简单，成本不高，在常年低温环境下节能等优点。但是该系统散热效率低，在夏天高温气候环境下水温高，不能满足高温环境下的使用工况，见图2。

图2 散热器水冷系统简图3.1.3 直冷水冷型此系统是在直冷与水冷的基础上进行整合，通过电池冷却器Chiller（也叫热交换器）把空调系统与水冷系统进行桥接。该系统规避了前两种冷却方式的缺点，是目前最常用的电池热管理系统之一。系统零部件比前两种多，系统比较复杂，需求的零部件布置空间相对较大，在工作时压缩机负荷大，对整车耗能大经济性差。另外，当空调系统部分出现故障时，电池的冷却需求得不到最大满足，见图3。

图3 直冷水冷系统简图3.1.4 水冷混合型该系统是在直冷水冷系统的基础上，再增加一套散热器水冷系统，把两者按并联回路进行布置，通过控制电磁阀，在不同条件下使用不同回路给电池冷却。在低温环境下，只需散热器水冷系统工作。当处于高温环境下，切换到直冷水冷系统工作。在恶劣工况下，两个系统可以同时工作，电池还可以获得最大冷却能力，基本可以覆盖所有使用环境。此套冷却系统极其复杂，成本高，对整车布置空间要求高，系统的控制策略复杂，稳定性及可靠性是一个挑战。该系统在市场大多混合动力PHEV车型上也有使用，已拥有成熟技术，见图4。

图4 水冷混合系统简图3.1.5 风冷却型该系统则是直接把乘员舱制冷的冷风通过管道引到电池，使用该冷风对电池进行空气冷却。该系统优点是结构简单，冷风温度可控，系统成本低。但是同样具有直冷系统的缺点，系统无制热功能，且电池表面产生的冷凝水不易干燥，对电池内部有侵蚀污染的风险。一般不推荐使用这类热管理方式，见图5。

图5 风冷却系统简图4 结语

随着新能源汽车的发展，在市场上新能源汽车将成为一种主流，汽车的核心部件也会逐渐由发动机转变为电池。由于汽车的复杂行驶工况，高速、低速、加速、减速等频繁变化，电池会以不同的倍率进行放电，过程中会产生大量的热量聚集，随着时间和空间的影响，电池温度逐渐升高。动力电池冷却性能直接影响电池的使用效率，同时也会影响动力电池的安全和耐久性。电池温度会影响很多本身的特性参数，比如SOC、电压电阻、容量、充放电效率和寿命等，所以在电池温度过高时对其进行冷却，温度过低时对其进行加热，能保证电池的性能和延长使用寿命。随着新能源汽车的普及，电池热管理技术也会不断的提升和进步，更加成熟，相信在不久的未来，一定会出现其他更加优良的热管理系统来改善和克服现有热管理系统的缺点。电池热管理技术的发展会让电池始终工作在优良的环境下，对电池的使用寿命有着极大的贡献，这也终将推动我国新能源行业的不断发展。


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