張春秋 徐振鵬

（東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車技術(shù)中心，廣州 510800）

主題詞：串聯(lián)冷卻系統(tǒng) 高效電池溫控系統(tǒng) 能量回收 電動(dòng)汽車

1 引言

得益于鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，電池能量密度不斷提高，目前純電動(dòng)乘用車?yán)m(xù)航里程高于300 km的比例已經(jīng)達(dá)到了81%[1]。隨著電池能量密度不斷增加，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程得到一定提升，有資料預(yù)測(cè)2020年純電汽車滿足市場(chǎng)營(yíng)運(yùn)要求的續(xù)航里程需要在450 km以上[2]。同時(shí)伴隨著使用環(huán)境和使用區(qū)域的不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)單元、動(dòng)力單元性能提出了更高的要求。在這樣的背景下，電機(jī)/電控/電池?zé)峁芾碜兊姆浅Ｖ匾?。與此同時(shí)，電動(dòng)車整車熱管理在考慮達(dá)成整車性能的基礎(chǔ)上更需要考慮系統(tǒng)節(jié)能、高效，從而減小對(duì)整車?yán)m(xù)航里程的影響。

先進(jìn)的汽車熱管理技術(shù)，不僅能夠使電池工作在良好的溫度狀態(tài)，提升電動(dòng)汽車的電池利用率和壽命，也能夠充分考慮整車層面的能量再利用，提升整車的續(xù)航里程。一個(gè)好的熱管理系統(tǒng)是多個(gè)系統(tǒng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[3]，是一個(gè)包含了電機(jī)/電控、電池溫控、乘員艙溫控的整體系統(tǒng)，不同工況下采用不同的熱管理模式，采用不同的控制策略。例如目前主流的電動(dòng)汽車針對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用獨(dú)立的溫控系統(tǒng)，制冷采用電池冷卻器（Chiller）中冷媒與水換熱，冷水流入電池冷板給電池冷卻的方式，而電池加熱采用系統(tǒng)中串聯(lián)的水加熱器（WPTC）加熱系統(tǒng)循環(huán)水，再流入電池?fù)Q熱板給電池采暖。這套獨(dú)立的電池溫控系統(tǒng)存在以下2個(gè)問(wèn)題。第1，在環(huán)境溫度較低，但受工況影響電池需要進(jìn)行冷卻時(shí)，例如電池快充或車輛高負(fù)荷工況狀態(tài)下，仍需要啟動(dòng)電動(dòng)壓縮機(jī)，通過(guò)冷凝器和電池冷卻器對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻，需要消耗更多的電能。第2，車輛在低溫剛啟動(dòng)后，動(dòng)力電池需要加熱保溫時(shí)，此時(shí)需要啟動(dòng)電池加熱器（WPTC）進(jìn)行電池加熱，同時(shí)電機(jī)和電控系統(tǒng)會(huì)有散熱需求，由于電機(jī)/電控系統(tǒng)和電池溫控系統(tǒng)相互獨(dú)立，彼此能量不能相互利用，造成能耗損失。所以為了提高能耗利用率，需要選用更加優(yōu)化的系統(tǒng)，希望通過(guò)下面的介紹，能夠在系統(tǒng)構(gòu)建，策略制定方面提供參考，制定符合項(xiàng)目要求的最優(yōu)系統(tǒng)方案。

2 EV整車熱管理介紹

常見(jiàn)電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)由電機(jī)電控溫控、動(dòng)力電池溫控、乘客艙溫控3部分組成。

電機(jī)電控溫控由電子水泵、低溫散熱器、補(bǔ)償水壺、電控單元冷卻模塊、逆變器冷卻模塊和驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻模塊組成。該系統(tǒng)的溫控對(duì)象為純電動(dòng)汽車的電控單元、逆變器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。3個(gè)溫控對(duì)象的發(fā)熱功率，較之傳統(tǒng)汽車散熱量小，且合適的工作溫度相近，因此采用串聯(lián)進(jìn)行連接。動(dòng)力電池溫控由電池水冷模塊、電子水泵、冷卻器、水加熱器和冷媒制冷回路等構(gòu)成。電池溫控系統(tǒng)的作用在于維持各種工況下電池溫度在合適工作范圍內(nèi)，因?yàn)檩^低溫度會(huì)影響電池的放電功率和安全性，較高溫度會(huì)嚴(yán)重影響電池壽命和穩(wěn)定性[4]；不同電池式樣都有適合的工作溫度區(qū)間，比如鉛酸電池溫度范圍在20～45℃[5]，所以電池溫控系統(tǒng)需要具備制冷和加熱的功能。乘客艙溫控部分由電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和空氣加熱器等組成。由于熱泵技術(shù)還多處于研發(fā)階段，成員艙溫控系統(tǒng)和傳統(tǒng)差異不大，本次不作詳細(xì)討論。

針對(duì)電機(jī)/電控和電池?zé)峁芾戆窗l(fā)展的趨勢(shì)分3種系統(tǒng)構(gòu)建方式，下面進(jìn)行詳細(xì)研究討論。

3 第1代熱管理系統(tǒng)

2015年前上市的電動(dòng)車由于續(xù)航里程短、電池容量小，熱管理方面電機(jī)/電控與電池?zé)峁芾矸珠_(kāi)管理；電機(jī)/電控冷卻系統(tǒng)多采用串聯(lián)冷卻式樣，利用低溫散熱器對(duì)散熱需求部件進(jìn)行散熱，電機(jī)/電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)如圖1（第1代熱管理系統(tǒng)）。

圖1 串聯(lián)電機(jī)/電控/附屬電器冷卻系統(tǒng)（第1代熱管理系統(tǒng)）

受制于技術(shù)和成本限制，早期電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱部件包括：充電器、電源分配器、逆變器和電機(jī)，采用串聯(lián)冷卻系統(tǒng)。此套系統(tǒng)需要考慮電器部件的發(fā)熱量和性能要求，一般要求冷卻液先流經(jīng)低發(fā)熱、對(duì)溫度敏感的部件，然后再對(duì)高發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻。由于部件分開(kāi)進(jìn)行冷卻，需要考慮整車布置要求，這套系統(tǒng)回路冗長(zhǎng)，系統(tǒng)流阻較大，對(duì)水泵性能及加注性能要求高。

針對(duì)以上問(wèn)題，部分車型進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，引入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的電機(jī)/電控冷卻系統(tǒng)

優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)在電控模塊中集成其他電器功能，整車布置考慮電控模塊和電機(jī)，盡量將他們布置在統(tǒng)一區(qū)域，減少系統(tǒng)回路長(zhǎng)度，這套系統(tǒng)應(yīng)用的典型車型如日產(chǎn)的LEAF車型。

早期的EV車?yán)m(xù)航里程要求不高（一般＜200 km），電池能量密度低，電池溫控系統(tǒng)采用自然風(fēng)量或主動(dòng)風(fēng)冷技術(shù)。

自然風(fēng)冷是通過(guò)外界空氣與電池殼體進(jìn)行換熱完成電池整包的溫度控制，這種冷卻方式對(duì)電池包的安裝位置有要求，一般安裝在地板等通風(fēng)位置。

強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)是根據(jù)熱流體仿真分析的結(jié)果對(duì)電池?zé)崃糠植紖^(qū)域進(jìn)行強(qiáng)制散熱，這種電池冷卻方式在K.J.Kelly等研究報(bào)告中進(jìn)行了研究[6]。電池風(fēng)冷系統(tǒng)會(huì)設(shè)定鼓風(fēng)風(fēng)扇，專用風(fēng)道等零件；考慮到電池發(fā)熱量及電池內(nèi)部溫差的要求，電池內(nèi)部風(fēng)道的式樣分以下3種類型，如圖3所示，可以看到并聯(lián)風(fēng)道[7]的流場(chǎng)更為合理。

圖3 電池強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)道類型

4 第2代溫控系統(tǒng)

隨著電池容量和電池能量密度的增加，電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱能增加（電池整體最大發(fā)熱量大于5 kW），傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)已經(jīng)不能滿足電池散熱需求。

第2代溫控系統(tǒng)的特點(diǎn)在于保持電機(jī)/電控系統(tǒng)水冷的基礎(chǔ)上，電池溫控系統(tǒng)采用更為高效的溫控方式，針對(duì)電池制冷采用與空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行耦合，同時(shí)考慮到保證電池低溫性能，引入電池加熱技術(shù)。

圖4是第2代溫控系統(tǒng)比較有代表性的系統(tǒng)構(gòu)建方案，可以看到電機(jī)/電控與第1代對(duì)比無(wú)太大變化。電池溫控系統(tǒng)具有制冷和加熱功能，制冷采用引入電池冷卻器（Chiller）來(lái)實(shí)現(xiàn)，冷媒在冷卻器里蒸發(fā)使其內(nèi)部的翅片變冷，翅片再與電池內(nèi)部熱交換后的暖水進(jìn)行熱交換，熱交換后的冷水通過(guò)電子水泵再次流入電池內(nèi)部冷卻板完成換熱循環(huán)。針對(duì)電池低溫下的采暖需求，系統(tǒng)設(shè)定單獨(dú)的水暖PTC，一般功率5 kW以下。采用這種電池溫控系統(tǒng)方案的國(guó)內(nèi)車型有榮威E50、帝豪EV、景逸S50EV等[8]。針對(duì)電池采暖某些車企采用空調(diào)采暖和電池加熱共用加熱器的系統(tǒng)構(gòu)建，如圖5所示的系統(tǒng)。

圖4 第2代溫控系統(tǒng)代表回路

圖5 電池采暖與空調(diào)制熱共用加熱器

圖5 是針對(duì)電池采暖與空調(diào)制熱共用加熱的系統(tǒng)構(gòu)建說(shuō)明，這套系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)定一個(gè)水加熱器給暖風(fēng)和電池進(jìn)行制暖，同時(shí)空調(diào)系統(tǒng)（制冷/制熱）可以和傳統(tǒng)燃油車共用。但這套系統(tǒng)需要重新構(gòu)建空調(diào)制熱回路，增加電子水泵和相關(guān)管路?？紤]到除霜、除霧法規(guī)要求，共用加熱器功率較大（一般在7 kW以上），進(jìn)入到暖風(fēng)芯體的冷卻液溫度要求較高，一般80℃以上，但如此高溫冷卻液不能直接用于電池加熱，會(huì)造成電池過(guò)熱，因?yàn)楦鶕?jù)電池性能不同，影響電池壽命的溫度限值有明確要求，一般在50℃左右。為解決這個(gè)問(wèn)題需要為電池回路追加熱交換器，形成水水熱交換；也有車企量產(chǎn)車型采用四通閥方案，如比亞迪元[9]。為了保證空調(diào)制熱優(yōu)先原則，需要對(duì)電池制暖溫度控制，也需要對(duì)流進(jìn)電池采暖部分的高溫防凍液的量進(jìn)行控制，同時(shí)需要為系統(tǒng)追加電子水閥，控制系統(tǒng)流量。綜上所述，共用加熱器的系統(tǒng)方案需要更多的構(gòu)成件，系統(tǒng)構(gòu)建更為復(fù)雜，控制更為復(fù)雜，成本更高。

針對(duì)第2代溫控系統(tǒng)構(gòu)建概括如下。

（1）電機(jī)/電控和電池溫控采用兩套系統(tǒng)回路，系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)整車工況和實(shí)際需求單獨(dú)控制。

（2）由于設(shè)定獨(dú)立的電池溫控系統(tǒng)，可以把電池溫度控制在合適的工作溫度，一般溫度控制在15℃～35℃范圍內(nèi)，有利于提高電池的穩(wěn)定性和壽命。由于存在電池采暖功能，電池在低溫下的性能表現(xiàn)得到了提升，特別是大大縮短了低溫充電時(shí)間。根據(jù)2019版《EV-TEST（電動(dòng)汽車測(cè)評(píng)）管理規(guī)則》對(duì)低溫充電時(shí)間有要求，如果此項(xiàng)得分大于90分，SOC在0～80%的低溫充電時(shí)間/常溫充電時(shí)間應(yīng)小于1.38[10]。

（3）第2代溫控系統(tǒng)電池的制冷和采暖分別需要啟動(dòng)壓縮機(jī)和高壓水加熱器（WPTC），在北方低溫環(huán)境下電池充放電時(shí)的采暖和乘員艙的制熱需求會(huì)占用大量的能耗，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明用于加熱的能耗占電池總能耗的20%以上，會(huì)影響整車的續(xù)航里程。

5 第3代溫控系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)第2代溫控系統(tǒng)構(gòu)建的分析，發(fā)現(xiàn)第2代溫控系統(tǒng)存在能耗過(guò)高的問(wèn)題，需要檢討更高效，更節(jié)能的溫控系統(tǒng)構(gòu)建。

電機(jī)/電控系統(tǒng)和電池溫控系統(tǒng)的溫度控制范圍不同，電機(jī)/電控的系統(tǒng)溫度高于電池適合的工作溫度（15℃～35℃），如表1所示。

表1 電機(jī)/電控作溫度要求 ℃

考慮到環(huán)境溫度的影響，電機(jī)/電控系統(tǒng)的水溫在50℃左右，在低溫情況下這部分水可以流進(jìn)電池進(jìn)行電池預(yù)熱。同時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度較低，電機(jī)/電控散熱需求低，但電池需要制冷的時(shí)候，可以考慮采用低溫散熱器給電池進(jìn)行制冷。根據(jù)以上說(shuō)明構(gòu)建如圖6所示的系統(tǒng)回路(第3代溫控系統(tǒng))。

圖6系統(tǒng)構(gòu)建優(yōu)勢(shì)在于，電池慢充電或者高負(fù)荷放電時(shí)候可以根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)決定采用低溫散熱器制冷或者空調(diào)系統(tǒng)制冷。同時(shí)可以將電機(jī)/電控的部分余熱用于電池制暖或保溫，這個(gè)功能在前后雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)/電控系統(tǒng)表現(xiàn)的較為實(shí)用，通過(guò)仿真分析說(shuō)明如下。

以某車開(kāi)發(fā)模擬數(shù)據(jù)為例，在環(huán)境溫度-7℃（電池溫度-7℃）條件下，進(jìn)行0.5 h CLTC工況循環(huán)模擬，分別分析電機(jī)冷卻水溫和電池有無(wú)余熱回收電池溫度，如圖7所示。

圖6 第3代溫控系統(tǒng)代表回路

圖7 電機(jī)余熱利用說(shuō)明

通過(guò)圖7可知，電機(jī)冷卻液溫度與電池溫度溫差大于20℃，熱量利用率較高，同時(shí)可見(jiàn)電池在-7℃環(huán)境電池在無(wú)余熱利用時(shí)僅靠自身發(fā)熱溫升不明顯。

針對(duì)第3代溫控系統(tǒng)，詳細(xì)整理工作模式，如表2所示，其中Tbat為電池實(shí)際溫度，Tmin為電池制暖開(kāi)啟限值溫度，Tmax為電池制冷開(kāi)啟限值溫度。

表2 第3代溫控系統(tǒng)工作模式

工作模式包括行駛和充電工況，概括如下。

5.1 行駛工況

（1）Tbat＜Tmin：這種情況出現(xiàn)在環(huán)境溫度和電池本體溫度較低的情況，這個(gè)工況可以將電機(jī)的余熱用于電池加熱或保溫，結(jié)合電池放電自發(fā)熱情況，這個(gè)工況下水加熱器只有在極低溫度下才會(huì)啟動(dòng)；

（2）Tmin≤Tbat≤Tmax：電池溫度在合適的工作溫度下，只需要給電機(jī)/電控系統(tǒng)制冷，但考慮到電池內(nèi)部均溫要求，針對(duì)電池溫控系統(tǒng)設(shè)定的電子水泵考慮部分時(shí)間開(kāi)啟；

（3）Tbat＞Tmax（散熱器出水溫度＜25℃）：這種情況一般出現(xiàn)在環(huán)境溫度較低，同時(shí)整車在高負(fù)荷工作，如長(zhǎng)時(shí)間爬坡、高速、堵車等工況。此時(shí)電池放電功率大，溫度逐漸上升需要制冷；由于環(huán)境溫度較低，低溫散熱器的換熱效率較高（前置散熱器的布置方案尤為明顯），經(jīng)過(guò)低溫散熱器的冷卻液溫度低于25℃以下，這樣的低溫冷卻液可以流入到電池冷板給電池包進(jìn)行制冷；

（4）Tbat＞Tmax（散熱器出水溫度＞25℃）：當(dāng)環(huán)境溫度較高，經(jīng)過(guò)低溫散熱器的冷卻液溫度較高（一般大于35℃）時(shí)，電池制冷需要借用空調(diào)系統(tǒng)，啟動(dòng)壓縮機(jī)，通過(guò)電池冷卻器為電池制冷。

5.2 充電工況

（1）Tbat＜Tmin：當(dāng)電池溫度較低情況下，電池活性會(huì)降低，電池充電時(shí)間大大增加，需要開(kāi)啟水加熱器為電池制暖再進(jìn)行充電，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知有主動(dòng)制暖功能的電池溫控系統(tǒng)會(huì)縮短50%的充電時(shí)間；

（2）Tmin≤Tbat≤Tmax：充電過(guò)程中電池溫度持續(xù)在合適工作溫度，只需要關(guān)注電池溫差，決定是否啟動(dòng)電子水泵；

（3）Tbat＞Tmax（散熱器出水溫度＜25℃）：這個(gè)工況類似于走行時(shí)環(huán)境溫度較低的情況，可以利用低溫散熱器對(duì)電池進(jìn)行制冷。但考慮到大電流快充電，電池溫升較快時(shí)可以考慮開(kāi)啟壓縮機(jī)和電池制冷器，提升制冷效率；

（4）Tbat＞Tmax（散熱器出水溫度＞25℃）：當(dāng)環(huán)境溫度較高，特別是大電流快充的情況，需要啟動(dòng)壓縮機(jī)，利用電池制冷器進(jìn)行系統(tǒng)制冷。

第3代溫控系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于降低了壓縮機(jī)和水加熱器的開(kāi)啟頻率，降低了整車能耗，增加了續(xù)航里程。

6 結(jié)論

隨著電機(jī)/電控和電池?zé)峁芾硪蟮牟粩嗵岣撸谒浞绞綐?gòu)建的電機(jī)/電控和電池溫控系統(tǒng)成為主流的冷卻技術(shù)方案。同時(shí)由于法律法規(guī)對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程要求不斷提高，兼顧節(jié)能、電機(jī)電控系統(tǒng)熱能再利用的高效的熱管理系統(tǒng)的構(gòu)建是今后發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)熱泵技術(shù)逐步產(chǎn)業(yè)化后，純電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)需要將電機(jī)/電控溫控、動(dòng)力電池溫控、乘客艙溫控進(jìn)行全面考慮，構(gòu)建更加高效節(jié)能的熱管理系統(tǒng)。同時(shí)會(huì)推動(dòng)針對(duì)三代熱管理系統(tǒng)零件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，如流量調(diào)節(jié)水閥、高功率電子水泵、集成化的熱管理模塊等零件的開(kāi)發(fā)。