＊陳旭斌

（寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司 福建 352100）

1.新能源汽車的發(fā)展

全球污染嚴(yán)重，溫度上升，威脅著人類的生命安全。因此，降低碳排放是全世界各國人民的心聲也是各國目前亟需解決的事情。對于汽車行業(yè)，傳統(tǒng)汽車受到不可再生資源石油的影響越來越大，能源問題對于社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，汽車尾氣不僅對環(huán)境有持續(xù)的污染，也時(shí)刻影響著人類的身體健康。為了應(yīng)對資源的枯竭并改善環(huán)境，各個(gè)國家和企業(yè)逐步投入新能源的領(lǐng)域。目前，中國大力倡導(dǎo)發(fā)展新能源汽車，而且發(fā)展迅速，技術(shù)更新迭代時(shí)間縮短，逐漸刷新歷史。由燃油車時(shí)代進(jìn)入新能源汽車時(shí)代，中國走到世界前列，創(chuàng)造了一個(gè)新生市場。

自2021年起，新能源商用車產(chǎn)銷量迎來質(zhì)的飛躍。市場由單純的政策驅(qū)動向政策疊加創(chuàng)新模式驅(qū)動轉(zhuǎn)變，車型品系更豐富，換電與充電并進(jìn)。長期來看，新能源商用車將隨技術(shù)和規(guī)模發(fā)展迎來成本和技術(shù)驅(qū)動階段。

根據(jù)中協(xié)會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，表1顯示，新能源商用車銷量在近三年處于上升趨勢。其中2020年產(chǎn)銷量存在一定下滑。但在2021年新能源商用車的產(chǎn)銷量較2020年相比增幅較大，其中新能源卡車（含新能源重卡、輕卡、微卡和皮卡）占比31%，累計(jì)銷售4.9817萬輛，同比（2020年新能源卡車?yán)塾?jì)銷售19224輛）增長159.1%，增幅較大。

表1 2019—2021年近三年新能源商用車產(chǎn)銷量統(tǒng)計(jì)表

2.新能源汽車電池?zé)峁芾淼谋匾?/h2>

自從新能源汽車量產(chǎn)以來，銷量逐年上升。動力電池作為純電動汽車的動力能源存儲單元，其單位質(zhì)量下所能存儲的電量大小，使用壽命周期的長短，安全性和可靠性均與電動車的各項(xiàng)性能有著密切關(guān)系。鋰離子動力電池的充放電倍率、循環(huán)使用壽命和安全可靠性等特性對于溫度的敏感性較高，在適宜的環(huán)境溫度下鋰離子電池的各項(xiàng)性能才能發(fā)揮出來并且在長時(shí)間內(nèi)能夠保持相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)。有研究表明、鋰離子電池的最佳工作溫度范國在25℃到40℃，并且單體電池間的溫差需要小于5℃[1]，這就給電池的均一性提出了更高的要求。溫度過高或過低都會降低電池的性能，影響電池壽命。純電動汽車作為龐大的電量輸出物需要耗費(fèi)巨大的電量，而電動車為了提高續(xù)航能力，電池包通常由上百個(gè)鋰離子單體電池串并聯(lián)組成?，F(xiàn)有研究表明，電池的材料性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特性差異會導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)熱和傳熱產(chǎn)生差異性，在電池實(shí)際的工作狀態(tài)中，電池的表面和內(nèi)部的溫度場的分布不均勻，在極端充放電的工況下，溫度的不均勻現(xiàn)象會放大數(shù)倍。導(dǎo)致電池包的內(nèi)部不同位置的溫差增大，影響電池包的各項(xiàng)性能指標(biāo)[2]。再者，在能量輸入和輸出的時(shí)候，電池會產(chǎn)生大量的熱量，若熱量不能及時(shí)散發(fā)掉，有可能導(dǎo)致熱失控，嚴(yán)重的情況下甚至發(fā)生爆炸引起火災(zāi)，威助人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。因此，給電池提供一個(gè)良好的工作環(huán)境，保持其適宜的工作環(huán)境溫度，這就要求動力電池具備高效穩(wěn)定、精準(zhǔn)并快速響應(yīng)等特性的電池包熱管理系統(tǒng)。

3.新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)發(fā)展歷程

在2018年前，國內(nèi)商用車和乘用車鋰離子電池主流熱管理系統(tǒng)為自然冷卻，自然冷卻電池包中的電芯通過自身結(jié)構(gòu)及其傳熱路徑將電芯工作過程產(chǎn)生的熱量散發(fā)到外界環(huán)境，該方案具有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)勢，但其缺乏電池溫度主動熱管理措施，其電池冷卻性能受限較大，隨著客戶對新能源汽車充電時(shí)間和適用環(huán)境的需求逐漸提升，自然冷卻電池包已無法滿足上述需求。常見的客戶抱怨有充電時(shí)間過長、夏季開車過程出現(xiàn)高溫報(bào)警、電池壽命衰減嚴(yán)重等問題。隨著新能源汽車運(yùn)行年限增加，電池續(xù)航里程明顯降低。部分整車廠為了克服上述困難，試圖通過采取增加電池配電量的方式，以降低相同行車工況下的電池工作電流，進(jìn)而降低電池升溫。但此方案嚴(yán)重增加了整車成本，在市場推廣時(shí)受限極大。因此如何開發(fā)一款適用于新能源汽車的熱管理系統(tǒng)顯得十分必要和緊迫。在此背景下，2018年后國內(nèi)各大新能源汽車廠相繼推出了帶電池液冷系統(tǒng)的車型，以滿足市場客戶對高溫環(huán)境下大功率行車及電池續(xù)航里程衰減小的需求。

4.鋰離子電池不同熱管理系統(tǒng)傳熱性能差異

新能源汽車電池散熱主要為熱傳導(dǎo)，熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分[4]，傳熱過程遵循傅里葉（Fourier）定律，電池自身在工作過程中產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)的形勢傳遞至外界環(huán)境，傳熱方程如下：

式中，C：電池比熱容（J/(kg·K)）；

m：電池質(zhì)量（kg）；

△T：電池溫度溫升（K）；

Q：電池產(chǎn)熱量（J）；

h：傳熱系數(shù)（W/(m2·K)）；

A：換熱面積（m2）；

Tcell：電池溫度（K）；

T冷卻介質(zhì)：熱管理系統(tǒng)冷卻介質(zhì)溫度（K）。

不同電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對應(yīng)的換熱系數(shù)如表2所示，可發(fā)現(xiàn)電池液冷方式在換熱性能方面遠(yuǎn)高于其它兩種電池?zé)峁芾矸桨?、呈現(xiàn)出數(shù)量級的差異。電池液冷系統(tǒng)在性能上的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來并得到市場認(rèn)可。近年來，國內(nèi)新能源汽車鋰離子電池?zé)峁芾矸桨敢矎淖匀焕鋮s方案迭代到液冷方案。

表2 不同電池冷卻方式換熱系數(shù)對比

5.商用車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)發(fā)展

早期鋰離子動力電池開始被運(yùn)用到商用車時(shí)，整車對鋰離子動力電池的需求更多的是希望動力電池以整包的形式被裝配到整車后能直接使用，盡可能減少整車和鋰離子動力電池系統(tǒng)的集成工作，降低新能源汽車與動力電池集成技術(shù)難度，以降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和周期，商用車動力電池風(fēng)冷和液冷系統(tǒng)在早期推廣阻力極大。

隨著客戶對動力電池使用性能的要求逐步提升，動力電池需要提供更大的充電倍率以縮短充電時(shí)間，動力電池需要輸出更大的工作電流和每天工作循環(huán)次數(shù)以控制整車動力電池成本。早期在技術(shù)探究階段，風(fēng)冷動力電池系統(tǒng)由于其具備一定的冷卻性能、成本相對液冷系統(tǒng)低和無冷卻液泄露風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢被市場作為動力電池?zé)峁芾砜尚行匝芯糠较蛑?。但由于商用車動力電池為多電箱分散式的布置形式，風(fēng)冷動力電池對整車熱管理空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)結(jié)構(gòu)、回風(fēng)結(jié)構(gòu)、分流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了極高要求，對應(yīng)需的產(chǎn)品開發(fā)周期也相對較長，無法滿足商用車訂單式開發(fā)模式。

液冷動力電池系統(tǒng)相對風(fēng)冷系統(tǒng)受整車電池布置位置垂直方向高度、水平方向距離和布置環(huán)境溫度等邊界條件影響較小，液冷系統(tǒng)電池包對整車空調(diào)系統(tǒng)的需求主要為電池包冷卻液入口流量和溫度。整車電池包空間布置差異主要影響整車電池?zé)峁芾硪豪湎到y(tǒng)到電池入口的管路長度，而整車液冷系統(tǒng)到電池包的連接管路長度差異對各支路流量分配差異影響較小。以某典型商用10m車動力電池液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，該車型冷卻液回路分為4條分支路，每條分支路串聯(lián)3個(gè)電池包，電池包分散布置在車輛頂部、車身兩側(cè)和車輛尾艙。通過分析得出上述整車動力電池空間布置差異在單支路電池包冷卻液平均流量為600L/h的情況下，最終對各分支路流量分配影響＜30L/h。

動力電池液冷系統(tǒng)由于其具有良好的冷卻效果和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力等優(yōu)勢被用于解決動力電池在市場運(yùn)用過程中遇到的高倍率充電和放電使用需求。以重型卡車為例，車輛一天行駛所消耗的電量為車輛配置電量的2到3倍，車輛一天需要行駛約12h。在此嚴(yán)苛的工作條件下，新能源汽車動力電池持續(xù)工作并產(chǎn)生熱量，為保證新能源汽車動力電池能夠穩(wěn)定運(yùn)行，需要整車熱管理系統(tǒng)將動力電池產(chǎn)生的熱量第一時(shí)間傳遞至外界環(huán)境，以保證電池具備良好的工作溫度。

6.商用車電池?zé)峁芾硪豪湎到y(tǒng)方案

整車為動力電池提供制冷量的空調(diào)液冷系統(tǒng)方案分為獨(dú)立式和集成式，獨(dú)立式液冷機(jī)組是專門為電池系統(tǒng)定制開發(fā)的液冷機(jī)組，專門用于電池系統(tǒng)散熱，獨(dú)立式液冷機(jī)組中包含壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)扇、蒸發(fā)器、膨脹閥和水泵等完整的空調(diào)系統(tǒng)元器件。集成式液冷系統(tǒng)是將整車乘客艙空調(diào)與電池冷卻模塊集成，在原有整車空調(diào)系統(tǒng)中并聯(lián)電池冷卻回路，并聯(lián)回路中包含板式換熱器、膨脹閥和水泵等部件。集成式液冷系統(tǒng)收到電池系統(tǒng)請求制冷時(shí)，整車空調(diào)系統(tǒng)中的電池冷卻回路啟動工作，整車空調(diào)通過系統(tǒng)中的循環(huán)冷媒將電池回路中的熱量通過冷凝器散熱至外界環(huán)境。

接下來從性能和成本角度分析兩種方案的優(yōu)劣勢。車輛行駛階段集成式液冷系統(tǒng)在夏季不影響乘客艙空調(diào)使用的情況下可提供給電池液冷系統(tǒng)的制冷功率相對有限，通常為3kW到5kW制冷功率。車輛充電階段整車空調(diào)系統(tǒng)中的乘客艙空調(diào)無制冷需求，整車空調(diào)系統(tǒng)將原有乘客艙區(qū)域制冷功率轉(zhuǎn)移至動力電池液冷系統(tǒng)，因此集成式液冷系統(tǒng)在充電階段可為動力電池提供相對充足的制冷功率，通常可提供超過12kW的制冷功率。而獨(dú)立式液冷系統(tǒng)是為動力電池散熱而專門配置的熱管理系統(tǒng)，其可在充電和行車放電階段為動力電池提供穩(wěn)定的制冷功率，國內(nèi)市場常見的為8kW獨(dú)立式液冷系統(tǒng)。

集成式液冷機(jī)組在乘客艙空調(diào)基礎(chǔ)上增加并聯(lián)支路，增加了水泵、板換、膨脹閥等部件，其成本相比獨(dú)立式液冷機(jī)組具有較大優(yōu)勢，以市場廣泛運(yùn)用的8kW獨(dú)立式液冷機(jī)組和10米大巴車集成液冷系統(tǒng)為例，集成式液冷系統(tǒng)為提供電池制冷量而增加的并聯(lián)支路成本約為獨(dú)立式液冷系統(tǒng)的20%到28%。

表3 集成式與獨(dú)立式液冷系統(tǒng)制冷功率與成本對比

基于上述兩種熱管理系統(tǒng)在行車放電和充電階段所具備的制冷功率，可得出集成式液冷機(jī)組適用于制冷量需求較低的低倍率放電運(yùn)用場景，而獨(dú)立式液冷機(jī)組適用于制冷量需求較大的高倍率放電運(yùn)用場景。當(dāng)前商用車模塊運(yùn)用液冷系統(tǒng)的車型主要為大巴車、重卡、和工程機(jī)械。從電池工作過程的需求制冷量來分析，大巴車行車倍率相對較小，在電池滿電量情況下至少可連續(xù)行車4h。重卡和工程機(jī)械由于使用工況較惡劣，在電池滿電量情況下僅能連續(xù)行車2～3h。從整車原有空調(diào)配置來分析，重卡與工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)只需給駕駛艙提供制冷量，其制冷功率相對較小，通常為4kW到5kW，而行車階段需要提供給電池系統(tǒng)的制冷量至少為8kW，因此在原有乘客艙空調(diào)系統(tǒng)中新增電池冷卻并聯(lián)支路需要的變動量較大，需要更換原有空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)、冷凝器等部件以滿足電池冷卻需求。而大巴車原有乘客艙制冷量需求通常為14～22kW，不同長度車型因乘客艙空間差異而對應(yīng)的制冷量需求量不同，整車空調(diào)系統(tǒng)并聯(lián)電池液冷系統(tǒng)需要新增的制冷功率為3～5kW，該制冷功率增加對原有空調(diào)系統(tǒng)改動量相對較小，電池系統(tǒng)所需要的制冷量可通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和軟件策略優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。綜上所述，集成式液冷系統(tǒng)適用于大巴車型電池系統(tǒng)冷卻，而獨(dú)立式液冷系統(tǒng)適用于重卡和工程師機(jī)械車型的電池系統(tǒng)冷卻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，獨(dú)立式液冷機(jī)組在重卡和工程機(jī)械車型的市場占有率已超過95%，獨(dú)立式液冷機(jī)組已成為重卡和工程機(jī)械主流的電池冷卻系統(tǒng)。集成式空調(diào)由于其成本具有絕對優(yōu)勢，并且可滿足大巴車型電池系統(tǒng)日常的運(yùn)行工況制冷功率需求，在國內(nèi)市場廣泛運(yùn)用于大巴車型動力電池冷卻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，集成式液冷機(jī)組在大巴車型的市場占有率已超過90%，集成式液冷機(jī)組已成為大巴車型主流的動力電池冷卻系統(tǒng)。

表4 各車型主流電池液冷系統(tǒng)及其市場占比

7.總結(jié)

隨著動力電池在商用車領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，且市場對動力電池使用壽命和充放電性能的需求逐浙提升，液冷系統(tǒng)由于其具有更好的抗整車環(huán)境和空間布置干擾性得到了市場的廣泛運(yùn)用。集成式液冷機(jī)組由于其成本優(yōu)勢且可滿足低倍率放電工況需求，被廣泛運(yùn)用于大巴車型動力電池冷卻，市場占比已超過90%。重卡與工程機(jī)械車型由于其動力電池行車階段放電倍率較高，冷卻功率需求較大，獨(dú)立式液冷系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于重卡與工程機(jī)械車型的動力電池冷卻，市場占比已超過95%。