新能源汽車 的動力電池冷卻方案分類及應用實例解讀

目前，電動汽車動力電池為鋰離子電池，鋰離子動力電池的性能對溫度變化較敏感，車輛上的裝載空間有限，車輛所需電池數(shù)目較大，電池均為緊密排列連接。當車輛在高速、低速、加速、減速等交替變換的不同行駛狀況下運行時，電池會以不同倍率放電，以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，加上時間累積以及空間影響會產(chǎn)生不均勻熱量聚集，從而導致電池組運行環(huán)境溫度復雜多變。

動力電池的冷卻性能的好壞直接影響電池的效率，同時也會影響到電池壽命和使用安全。由于充放電過程中電池本身會產(chǎn)生一定熱量，從而導致溫度上升，而溫度升高會影響電池的很多特性參數(shù)，如內(nèi)阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。

為了使電池包發(fā)揮最佳性能和壽命，需要優(yōu)化電池包的結(jié)構(gòu)，對它進行熱管理，增加散熱設施，控制電池運行的溫度環(huán)境。

主要冷卻方案

不同的熱管理系統(tǒng)，零部件類型的結(jié)構(gòu)不同、重量不同以及系統(tǒng)的成本不同和控制方式不同，使得系統(tǒng)所達到的性能也不相同。在進行電池包熱管理系統(tǒng)類型設計選擇時，需要考慮到電池的冷卻性能需求，結(jié)合整車的性能以及空間大小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和成本高低也是要考慮的因素。

圖表1  不同電池冷卻方案優(yōu)劣勢比較

不同冷卻系統(tǒng)工作示意

1、風冷

國內(nèi)外電動汽車電池組的冷卻方式上主要有以下幾種：空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻。目前空氣冷卻方式仍然是主要采用的方法，空氣冷卻比較容易實現(xiàn)，但冷卻效果不佳。

圖表2  典型風冷系統(tǒng)工作示意圖

2、液冷

液體冷卻有較好的冷卻效果，而且可以使電池組的溫度分布均勻，但是液體冷卻對電池包的密封性有很高的要求，如果采用水這類導電液體，需用水套將液體和電池單體隔開，這樣不僅增加了系統(tǒng)的復雜性而且降低了冷卻效果。

一般冷卻系統(tǒng)都是安裝在電池組模塊附近，原理和空調(diào)的制冷原理相似，冷卻系統(tǒng)通過管路和單個電池模塊相連，管路里循環(huán)流動冷卻液（一般是乙二醇），將單個電池模塊的熱量帶走，冷卻系統(tǒng)將乙二醇制冷，多余熱量通過風扇排到外界，而乙二醇再次循環(huán)進入電池模塊，繼續(xù)吸收電池散發(fā)的熱量。

3、熱管技術(shù)

熱管技術(shù)可以滿足電池組的高溫散熱與低溫預熱雙工況要求，響應快，溫度均勻性好，作為電池組新的冷卻方法被提出后，有了一定的發(fā)展，且作為產(chǎn)業(yè)研究的重點方向，但是受到布置和體積的限制，目前還沒有實車使用。

從現(xiàn)有電動汽車動力電池冷卻方式來看，風冷一直占據(jù)主要的位置，尤其是日系電動汽車，基本采用風冷系統(tǒng)。隨著應用環(huán)境對電池的要求越來越高，液冷也成為車企業(yè)的優(yōu)先方案，如特斯拉、寶馬等品牌。我國主流電動乘用車企業(yè)也開始轉(zhuǎn)向液冷系統(tǒng)，從中長期趨勢來看，液冷將占據(jù)主流。

電池包冷卻系統(tǒng)主要組件

不同的冷卻系統(tǒng)有相對應的冷卻組件：風冷系統(tǒng)主要部件為風機，液冷系統(tǒng)主要部件為冷卻板。

風冷系統(tǒng)組件：冷卻風道、風機、電阻絲

風機的選型直接影響電池包空冷系統(tǒng)的冷卻效果。風機的選型要求如下：根據(jù)電池的熱生成速率確定空氣流量；滿足每個模塊的溫升要求；基于系統(tǒng)所需空氣流量以及系統(tǒng)的壓降曲線選擇滿足要求的風機。

液冷系統(tǒng)組件：水冷管道、冷卻泵、冷卻閥、冷卻板

冷卻板作為電池包液冷系統(tǒng)中最關(guān)鍵的零部件之一，冷卻板的選型至關(guān)重要。冷卻板的選型必須滿足如下要求：冷卻板的壓降必須滿足客戶要求；冷卻水流動的一致性要求；爆破壓力要求；冷卻板的機械要求；冷卻板必須通過振動和沖擊載荷測試；冷卻板必須滿足公差要求以及空間尺寸要求。

電池冷卻系統(tǒng)組件生產(chǎn)企業(yè)眾多，主要部件大多由傳統(tǒng)電氣企業(yè)提供，目前電池管理系統(tǒng)企業(yè)及PACK組裝企業(yè)也有涉及定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)。

典型車載冷卻方案

1、寶馬i3

從動力電池系統(tǒng)角度來看，i3自2013年11月份上市以來，共進行了一次升級，即在2016年電量由22kWh，提升為33kWh，電量提高50%，這一次升級，保持了電池包體積、結(jié)構(gòu)不變。寶馬i3的熱管理采用直冷方案（也有液冷方案），制冷劑為R134a，

2、特斯拉

每一輛特斯拉都有一套專門的液體循環(huán)溫度管理系統(tǒng)圍繞著每一節(jié)單體電池。“冷卻液”呈綠色，由50%的水和50%的乙二醇混合而成。“冷卻液”不斷地在管道中流動，最終會在車輛頭部的熱交換器散發(fā)出去，從而保持電池溫度的均衡，防止電池局部溫度過高導致電池性能下降。特斯拉的電池熱管理系統(tǒng)可將電池組之間的溫度控制在±2℃，控制好電池板的溫度可有效延長電池的使用壽命。

Module之間的水冷系統(tǒng)采用的是并聯(lián)構(gòu)造而不是相互串聯(lián)，其目標在于確保了流進每個Module的冷卻液有著相近的溫度。

3、日產(chǎn)LEAF

日產(chǎn)汽車公司的LEAF純電動汽車采用了少見的被動式電池組熱管理系統(tǒng)。電池組由192節(jié)33.1 Ah的層疊式鋰離子電池組成。4節(jié)單體電池采用兩并兩串的連接形式組成模塊，48個模塊串聯(lián)組成電池組。電池組采用密封設計，外界不通風，內(nèi)部也無液冷或空冷的熱管理系統(tǒng)，但寒冷地區(qū)有加熱選件。LEAF所采用的鋰離子電池經(jīng)過電極設計后降低了內(nèi)部阻抗，減小了產(chǎn)熱率，同時薄層（單體厚度7.1 mm）結(jié)構(gòu)使電池內(nèi)部熱量不易產(chǎn)生積聚，因此可以不采用復雜的主動式熱管理系統(tǒng)。

4、通用Volt

通用Volt插電式混合動力汽車使用了288節(jié)45 Ah的層疊式鋰離子電池。電池組的電氣連接可等效為96片單體串聯(lián)成組，3組并聯(lián)。熱管理系統(tǒng)采用了液冷式設計方案，以50%水與50%乙二醇混合物為冷卻介質(zhì)。單體電池間間隔布置了金屬散熱片（厚度為1mm），散熱片上刻有流道槽。冷卻液可在流道槽內(nèi)流動帶走熱量。在低溫環(huán)境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2°C以內(nèi)。