text: 【技术面面观】混合动力车型动力电池风冷和液冷技术对比
  【摘要】随着新能源汽车的快速发展，动力电池电量、能量密度都有大幅增长，对动力电池的热管理提出了更高的要求。从自然风冷、主动风冷到液冷、冷媒直冷，冷却介质和方式更加灵活多样。对新能源车广泛应用的锂离子动力电池工作原理及温度特性做了阐述，指出动力电池热管理的重要性。选取2款典型的主动风冷和液冷的混动车型，进行冷却原理分析以及车辆热平衡测试。通过对测试数据的分析，明确了风冷技术仅适用低电池电量的混动车型，液冷技术利用空调冷媒进行降温，散热效果显著，可适用于高电池电量的插电式混动车型。1 引言锂离子电池是一种极具发展前景的高能量密度电池，是当前汽车行业内新能源汽车应用最为广泛的电池类型。锂离子电池内部结构主要包括正负极、集流体、隔膜以及电解液，常见的正极材料有磷酸铁锂、三元锂、锰酸锂、钴酸锂，负极材料一般为石墨、硅碳复合物。锂离子电池的反应原理是锂离子的往复运动，在充电过程中，正极材料中的锂离子脱出，穿过隔膜嵌入到负极的石墨碳层中；在电池放电时，锂离子又从负极石墨中脱出回到正极，因此锂离子电池又被称为是“摇椅”电池。锂离子电池的可用电量影响车辆的续驶里程，放电功率影响车辆的动力性,充电功率影响车辆的充电速度。上述电池的特性与电池的电压、内阻、容量、荷电状态、循环寿命息息相关，而电池参数的变化又很容易受到温度的影响。当锂离子电池工作环境温度较高时，电池材料的化学活性会有所提高，因此电池的放电容量能够有一定的提升，但同时也会导致电池材料的老化速度加快，电池极化严重，循环寿命衰减严重。如果工作温度过高，电池可能会起火、爆炸，危害车辆和车上人员的安全。当锂离子电池在低温下工作时，电池材料的化学活性会有所下降，电池充放电容量减小、极化增大，电池容易生成枝晶，造成内短路事故，同时影响电池的循环寿命。综上，做好电池热管理，将电池控制在适宜工作温度显得尤为重要，这样才能更好的发挥电池作为新能源车辆动力源的功能，同时保证车辆及人员安全。风冷和液冷是目前电池热管理应用最多的冷却方式，本文对2种冷却方式实际应用车型进行冷却原理分析及热平衡测试，通过分析冷却介质的温度与电芯温度数据，更准确的了解2种冷却方式在动力电池上的表现，根据2款车型特点，判断风冷技术仅适用于电池电量2 kW·h以内的混动车型，而液冷技术适用于高电量的插电混动车型。2 风冷技术及实测数据动力电池风冷技术是指利用空气作为热量交换载体，控制动力电池系统内部温度的技术，该技术通常使用风扇和管道完成空气在电池系统内的流动，利用空调系统实现对空气的加热和冷却。由于风冷技术散热能力有限，通常对于非插电式混动汽车，电池电量在2 kW·h以内会采用风冷技术实现对动力电池的热管理。图1是一款混动车型的动力电池包，采用风冷技术，从乘员舱引入气流，经过风扇后并行进入电池包，调节电池单体温度后，从后端出风口排出至车外。图1 动力电池风冷系统对一款采用风冷技术的混动汽车进行热管理测试，测试工况见表1，在高温环境下对车辆山路爬坡、最大车速、城市工况进行测试，记录电池热管理相关参数。电池包内空气温度、电芯温度和电池荷电状态（State of Charge,SOC）随不同测试工况的变化曲线如图2所示，主要结果如下。图2 不同工况风冷技术热管理测试结果表1 热管理测试工况注：其它测试工况要求：（1）满载；（2）测试时挡位为D挡；（3）空调位置为ON(最低温度、风量MAX,吹面、内循环)；（4）环境仓鼓风机风速按车速要求。（1）电芯温度最高为53℃，出现在山路爬坡工况，城市怠速工况次之，为52℃，最大车速工况电芯温度最高为46℃；在高温环境下，电芯温度在55℃以内，平均温度为40℃，处于较高的温度水平；（2）电池包内空气温度在山路爬坡、城市怠速工况均在43～47℃之间，在最大车速工况时在34～42℃之间，该温度值与车速关联较强；（3）该车电池包电量约为1.5 kW·h，电池SOC在40%～80%之间波动。3 液冷技术及实测数据动力电池液冷技术是指利用冷却液作为热量交换载体，控制动力电池系统内部温度的技术，该技术通常使用水泵和管道完成冷却液在电池系统内的流动。根据不同车型，可利用发动机、恒温加热器（Positive Temperature Coefficient，PTC）和电驱回路的热量对冷却液进行加热。可采用常规散热器与外界空气进行热交换来对冷却液进行降温，也可通过电池换热器，利用空调冷媒与冷却液进行热交换，实现对电池液冷系统的冷却。对于上述2种方式，在同一车型上，一般为同时采用或单独采用电池冷却器。液冷技术散热能力较好，在纯电动汽车与插电混汽车上应用广泛。图3是一款车型的动力电池液冷系统，根据电池包的温度控制电池冷却液和水加热器的开启，实现回路内冷却液的温度调节，从而使动力电池包处于适宜的工作温度。图3 动力电池液冷系统对一款插电混动车进行测试，该车电池电量为35 kW·h，采用电池冷却器利用空调冷媒与冷却液进行热交换，对动力电池降温，电池加热利用PTC进行。按照该车测试工况（表1），对城市怠速工况及最大车速进行了热管理测试并记录数据。电池包进水温度、电池包出水温度、电芯温度、空调高压随时间的变化曲线如图4所示，主要结果如下。图4 液冷技术热管理测试结果（1）电芯温度在约38℃时，空调高压明显升高，电池冷却器工作对电池包进行降温，当电池包进水温度降至约25℃时电池冷却器停止工作；（2）在最大车速工况，电池包电芯温度最高达40℃，最低为37.5℃，平均为38.5℃；（3）在城市怠速工况，电池包电芯温度最高达39℃，最低为37.5℃，平均为38.6℃；（4）采用液冷技术，电芯温度较为稳定，电芯温度的调节仅与空调负载有关。4 结束语经过对采用风冷和液冷技术的车型进行测试对比，得出以下结论。（1）系统硬件方面风冷技术包含的零部件少，所需布置空间不大，设计难度不高；液冷技术包含零部件较多，冷却液加热及冷却需要不同的部件实现，与空调冷媒、前端进风、发动机回路都有可能存在交互，回路设计多变，设计难度较高；（2）冷却效果方面风冷技术通过空气作为冷却媒介，散热效果有限，仅适用于非插电混动车型，在高温工况下，动力电池处于较高的工作温度，动力电池存在高温热失控风险；液冷技术通过冷却液作为冷却媒介，利用空调冷媒进行降温，散热效果显著，可适用于插电式混动车型，在高温工况下，动力电池可以保持在较为适宜的工作温度，动力电池的功能、安全都能得到比较有效的保证。来源：汽车热管理之家责编：毕媛媛 刘晶怡审校：石 博终审：曲 艺监制：翁  伟