電池包熱管理系統的三種溫控技術

風冷

風冷是以低溫空氣為介質,利用熱的對流,降低電池溫度的一種散熱方式,分為自然冷卻和強制冷卻(利用風機等)。該技術利用自然風或風機,配合汽車自帶的蒸發器為電池降溫,系統結構簡單、便于維護,在早期的電動乘用車中應用廣泛,如日產聆風(Nissan Leaf)、起亞SoulEV等,在目前的電動巴士、電動物流車中也被廣泛采納。
風冷的基本原理如圖1所示。該系統為風冷熱泵模塊機組,其工作原理是以壓縮制冷循環為基礎,以制冷劑為載體,通過蒸發器強制換熱,將熱量從大氣中提取或排出,以滿足制冷或制熱的需要。

液冷

液體冷卻技術通過液體對流換熱,將電池產生的熱量帶走,降低電池溫度。液體介質的換熱系數高、熱容量大、冷卻速度快,對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著。同時,熱管理系統的體積也相對較小。液冷系統形式較為靈活,可將電池單體或模塊沉浸在液體中,也可在電池模塊間設置冷卻通道,或在電池底部采用冷卻板。電池與液體直接接觸時,液體必須保證絕緣(如使用礦物油),避免短路。同時,對液冷系統的氣密性要求也較高。此外就是機械強度、耐振動性以及壽命要求。液冷是目前許多電動乘用車的優選方案,國內外的典型產品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍達(Volt)、華晨寶馬之諾、吉利帝豪EV等都采用液冷方式。

液冷基本原理如圖2所示。汽車電池包的冷卻系為強制循環水冷系,即利用水泵提高冷卻液的壓力,強制冷卻液在電池包中通過能量交換器循環流動。電池包的液冷系統主要由水泵、電池、能量交換器、水箱、冷凝器等組成。

在冷卻系統中,其實有兩個熱循環,一個是冷卻電池包的循環,另一個是電池包加熱循環,該循環需要配備特殊的加熱器。這兩個循環都以電池包為中心,使用同一冷卻液。

直冷

直冷(制冷劑直接冷卻)利用制冷劑(R1 34a等)蒸發吸熱的原理,在整車或電池系統中建立空調系統,將空調系統的蒸發器安裝在電池系統中,制冷劑在蒸發器中蒸發并快速高效地將電池系統的熱量帶走,從而完成對電池系統的冷卻作業,如圖3所示。

目前,直冷的冷卻方式基本在電動乘用車上應用,最典型的如寶馬i3(i3有液冷、直冷兩種冷卻方案)車型。

直冷冷卻的優點在于冷卻效率比液冷高出3~4倍,更能滿足快充需求,結構緊湊,潛在地降低了成本,避免了乙二醇溶液在電池箱體內部的流動等。

直冷制冷由蒸發器進行,蒸發器與電池組的內壁直接接觸以在電池組中進行熱交換。這些蒸發器由S型制冷盤管組成,壓縮機構的冷空氣流經管道,管道溫度很低,通過這些管道間接降低了電池組內壁的溫度,實現了熱交換,逐漸降低了電池組的溫度。當電池組中的空氣遇到低溫電池組的內壁時,其表面會形成霜(霜是水蒸氣的白色晶體,當水蒸氣突然遇到低溫物體時,其表面會冷凝結霜),這是直接冷卻電池組帶霜的根本原因。電池組在結霜后可由加熱系統自動加熱和移除。

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