紀云鵬

【摘要】本文分析了純電動汽車各熱源部件的散熱要求及工作特點，介紹了幾種目前純電動汽車上采用的冷卻系統(tǒng)設計方案，并提出了冷卻系統(tǒng)的設計目標評價標準和設計準則。

【關鍵詞】純電動汽車;冷卻系統(tǒng);動力電池;驅動電機;電機控制器

1.概述

純電動汽車冷卻系統(tǒng)主要是對動力電池、驅動電機、電機控制器、DC/DC以及車載充電器等多個電器單元進行冷卻。其在輕量化、低能耗、高效率、低成本等方面上的要求與傳統(tǒng)車輛的冷卻系統(tǒng)一致，不同的是純電動汽車冷卻系統(tǒng)針對的是電器部件，受溫度影響更加明顯，所以對溫度的控制要求更加精確。同時，由于純電動汽車的動力系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的電子部件耐受溫度低，整車降噪小，使得純電動汽車對冷卻系統(tǒng)的散熱性能和噪聲的要求較傳動車輛更為嚴格。因此，開發(fā)高效可靠的冷卻系統(tǒng)，勢必成為純電動汽車動力系統(tǒng)進一步提高效率，改善續(xù)駛里程的關鍵技術之一。

2.冷卻系統(tǒng)設計目標

目前純電動汽車的冷卻系統(tǒng)主要分為兩部分：一是對動力系統(tǒng)的驅動電機、車輛控制器和DC/DC等部件的冷卻，二是對供電系統(tǒng)的動力電池（鋰電）和車載充電器的冷卻。

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。動力電池冷卻必須滿足如下目標：

（1）電池單元的最高溫度Tmax<55℃;

（2）各電池單元體之間的溫差△Tbetw cells ≤5℃;

（3）每個單體內部溫差△Tin cell在5～ 10℃;

（4）電池水冷系統(tǒng)務必保證內部密封性;

（5）系統(tǒng)執(zhí)行結構滿足整車噪音和節(jié)能目標。

在電機冷卻系統(tǒng)中，由于各冷卻單元集成了大量的電子元器件，其對溫度的要求也是越低越好，根據(jù)這些電子元器件的耐受溫度的限制，其冷卻系統(tǒng)務必滿足如下目標：

（1）驅動電機溫度限值：100℃;

（2）電機/車輛控制器工作溫度限值：90℃;

（3）DC/DC及車載充電器工作溫度限值：90℃;

（4）系統(tǒng)執(zhí)行結構滿足整車噪音和節(jié)能目標。

3.動力電池冷卻方案

動力電池的冷卻主要有風冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式，目前市場上的純電動汽車主要以風冷為主。風冷方式又分為自然冷卻和強制冷卻。制冷劑冷卻方式是直接利用制冷劑對動力電池進行冷卻，而水冷方式是在制冷劑冷卻基礎上增加了第二冷卻回路，該回路包括電池冷卻器、電動水泵和集成在動力電池內的冷卻板及冷卻框架。這種水冷方式的冷卻效率高，更能夠有效地進行電池熱管理，實現(xiàn)智能控制，但是其研發(fā)、制造成本高，技術難度大，相對而言，風冷方式技術更加成熟，其研發(fā)、制造成本相對較低，目前被廣泛采用。

3.1 強制風冷方案

電池自然風冷一般要求動力電池本身發(fā)熱量小，且布置空間的空氣流場順暢，而目前國內的電池制造水平遠遠達不到該水平，故目前常見的是強制風冷方式。電池強制風冷系統(tǒng)主要包括：通風道和鼓風機。冷卻空氣主要來自乘員艙內，其原理是將乘員艙內的低溫空氣（溫度約為25℃）引入動力電池中進行冷卻。為了減輕空調系統(tǒng)的負荷，冷卻后約60%的空氣返回到乘員艙內，同時利用電池包內的傳感技術，反饋電池溫度，控制鼓風機的負荷，從而減少鼓風機電能的消耗。

依照冷風的來源，有兩種途徑，分別來自乘員艙內和空調冷風通道內。引入乘員艙內空氣的布置，引入乘員艙內冷風的入口，可以布置在乘員艙后排乘員座與后檔玻璃之間和后排乘員腳下，也可以布置在前排乘員腳下，具體選擇哪種方式，視車輛的布置而定。而引入來自空調冷風通道內的冷風可以從乘員艙前端引入，也可以從乘員艙后端引入。

3.2 制冷劑冷卻方案

制冷劑冷卻系統(tǒng)的冷卻介質是空調系統(tǒng)的制冷劑。其冷卻原理如圖1所示。空調系統(tǒng)的制冷劑經(jīng)過冷凝器后形成兩個分支，一路進入車輛的蒸發(fā)器用于乘員艙的冷氣供應，一路經(jīng)過膨脹閥后形成低溫低壓液體，用于跟集成在動力電池內部的制冷劑板進行熱交換，把動力電池內部的熱量帶出，最后從兩個分支出來的制冷劑又匯合進入壓縮機，開始新一輪的循環(huán)。由于該種方案管路較長，制冷劑量大，成本也較高，目前采用不多。

圖1 制冷劑冷卻方案

圖2 電池水冷系統(tǒng)

3.3 電池水冷方案

相對于上述兩種冷卻方式，水冷系統(tǒng)無論是從技術研究、設計開發(fā)、制造、成本還是從技術性能要求方面上考慮，均高于前兩者，尤其是考慮到電池使用的安全性，對水冷系統(tǒng)的密封性提出了很高的要求。水冷系統(tǒng)包括：冷凝器、壓縮機、膨脹閥、電池冷卻器、電動水泵、電池冷卻板以及電池框架。按照各單元的功能，可將其分為三部分：一是與外界冷空氣熱交換部分，由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和制冷劑組成。主要是利用壓縮機、冷凝器和膨脹閥這一套空調系統(tǒng)的核心部件，通過將制冷劑與外界冷空氣進行熱交換形成低溫低壓液體，為與電池冷卻器的熱交換提供冷卻介質;二是冷卻液循環(huán)單元，由電池冷卻器、冷卻液、電動水泵和管路做成。作用是通過電池冷卻器將制冷劑與冷卻液進行熱交換，降低進入電池冷卻板內的冷卻液的溫度，保證后續(xù)的熱交換過程中的溫度差，從而達到傳熱目的;三是電池熱交換單元，由電池冷卻板、冷卻框架和動力電池組成。電池冷卻板深入動力電池各單元體件，作用是以冷卻液為介質，通過熱交換方式帶走電池工作產(chǎn)生的熱量，達到冷卻電池的目的。整個水冷系統(tǒng)的原理如圖2所示。

4.電機冷卻系統(tǒng)方案

驅動電機及動力系統(tǒng)控制單元的冷卻一般是集成在一個冷卻回路內，稱為電機冷卻系統(tǒng)。冷卻方式有自然冷卻和強制水冷兩種，為了提高動力系統(tǒng)的效率，一般采用強制水冷方式。

電機冷卻系統(tǒng)需要冷卻的單元有驅動電機，電機/車輛控制器、DC/CD及車載充電器。冷卻系統(tǒng)的組成有：散熱器、電動水泵、冷卻液循環(huán)回路、冷卻風扇、除氣室和水溫傳感器等。按照各被冷卻單元對溫度要求不同，冷卻系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 電機水冷系統(tǒng)原理圖

按照電機、控制器等單元對溫度的要求，電機冷卻系統(tǒng)水溫要求如下：

（1）電機出水溫度≤65℃;

（2）電機/車輛控制器出水溫度≤60℃;

（3）DC/DC及車載充電器出水溫度≤57℃。

冷卻液循環(huán)管路務必保證良好的密封性，在常態(tài)下，被冷卻單元的工作溫度越低其效率越高，所以，要求盡量減低被冷卻單元的工作溫度。

5.冷卻系統(tǒng)性能驗證和性能評價

5.1 性能驗證

無論是電池還是電機冷卻系統(tǒng)，都必須通過車輛相關的試驗驗證，這就涉及到試驗條件、試驗要求和評價準則。對于電池冷卻系統(tǒng)的驗證，電池充放電時的發(fā)熱特性，只要滿足電池放電狀態(tài)下的工作狀態(tài)即可，應選擇整車電能消耗最大的工況進行考核。而對于電機冷卻系統(tǒng)，要研究車輛工況與動力系統(tǒng)負荷的關系，這就涉及到車輛的使用工況和動力匹配。綜合考慮以上因素，以下工況可供借鑒：

（1）爬坡工況（60km/h，8%坡度）;

（2）高速工況（最高車速，水平路）;

（3）城市工況（0～40km/h（5s）～停車怠速（30s）～啟動～40km/h（5s）循環(huán)，加速和減速時間均為5s，共10各循環(huán)）;

（4）40km/h至最高車速間隔車速勻速行駛，至少4個車速;

（5）車輛加速工況（0至最高車速）。

5.2 性能評價

對于純電動汽車冷卻系統(tǒng)的性能評價，主要從以下方面進行評價：

（1）各控制單元具有故障自診斷和保護功能;

（2）按照傳統(tǒng)車輛冷卻系統(tǒng)評價原理，計算車輛是否滿足要求的使用環(huán)境溫度限值（車輛運行環(huán)境溫度限值：-25～45℃）;

（3）考慮冷卻系統(tǒng)是否保證被冷卻單元是否處于最佳的運行溫度，以保證其處于最佳的工作效率;

（4）冷卻系統(tǒng)的運行在滿足要求的同時要求各部件的能耗和噪音滿足政策和要求;

（5）滿足使用壽命和可靠性要求。

參考文獻

[1]李正秋.燃料電池汽車整車熱管理方案研究[D].上海：上海汽車股份有限公司技術中心，2008.

[2]蔣光福.汽車發(fā)動機艙散熱特性研究[J].汽車科技， 2006.