纯电动汽车动力电池热管理技术探析

【摘要】纯电动汽车动力电池在充电放电时会产生大量的热量，在经过低温静置后，温度会很低，此时动力电池需要热管理系统为其冷却或加热，以保证续驶里程、使用寿命和安全性。文章总结了动力电池冷却和加热的不同方式，列举某款纯电动汽车热管理系统方案，为电动汽车热管理系统设计提供参考。

随着国家对新能源的大力扶持， 纯电动汽车迎来了发展的春天。因纯电动汽车具有环保节能、舒适性好、动力足等特点， 越来越受到人们的喜爱。动力电池是纯电动汽车核心部件之一， 担负着为整车储能、供能的重大使命，其重要性不言而喻。动力电池最佳的工作温度在15～40℃之间， 而在充电、放电的过程中， 电池会放出大量的热，同时， 车辆在低温环境静置后， 动力电池温度降至较低的温度， 此时如果不能及时为电池包冷却或加热， 会导致电池衰减， 严重时影响电池的使用寿命， 甚至影响电池安全， 发生自燃。因此， 需要为动力电池匹配热管理系统，使其在合适的温度区间内工作。好的热管理系统不仅能够有效提升车辆的续驶里程， 还可以延缓电池衰减， 避免出现安全问题。

2.1 电池冷却

一般纯电动汽车的动力电池冷却方式主要有风冷、液冷和直冷3大类。

1） 风冷（空气冷却） 技术是利用自然风或车辆制冷系统产生的冷风， 通过热对流或热传导的方式带走热量，实现电池冷却的目的。风冷技术具有系统简单、成本低、易维护的特点， 被广泛使用。

2） 液冷技术以液体作为传热介质， 液体在流经动力电池内部的管道时将热量带走。液冷使用的液体多为冷却液， 在车辆冷却系统中循环流动。冷却液带走的热量通过散热器散失到空气中。有些车辆在冷却系统中设置一个名为Chiller的换热器， 将车辆冷却系统和制冷系统耦合， 增加系统冷却效果。液冷技术与风冷技术相比， 具有冷却能力强、均匀性好、速率快等特点。

3） 直冷技术则是利用制冷系统中的冷媒直接将动力电池的热量带走， 在动力电池内部再安装一套膨胀阀和蒸发器， 冷媒在蒸发器内蒸发吸热。由于直冷技术没有液冷技术中的换热器， 因此直冷的效率更高。但动力电池在冷却时， 需要将制冷系统中的冷媒分走一部分， 这将影响乘员舱制冷效果， 导致舒适性降低。

2.2 电池加热

动力电池加热技术主要有电池自发热和利用外部加热元件两种。电池自发热， 顾名思义就是利用电池在充放电时因自身工作产生的热量来提高电池温度， 但这种方式加热效率慢， 已基本被弃用。

利用外部加热元件主要是使用加热膜和PTC。加热膜紧贴在电池模组表面， 在通电时产生热量提高电池温度。电池加热方式和冷却方式类似， 也有空气加热、水加热和冷媒直热3种。

2.3 热管理系统

电池冷却和加热时， 可以独立选择不同的方式， 但随着车辆集成度的越来越高， 对车辆热管理系统也提出了更高的要求。因此出现了既可以实现电池冷却， 又可以为电池加热的热管理系统， 甚至有些车辆利用热泵空调研发了高度集成的热管理系统， 将车辆冷却系统、动力电池冷却/加热和乘员舱制冷与采暖3大系统有机结合起来。

3.1 热管理系统架构

某款纯电动汽车热管理系统架构如图1所示。该热管理系统即为利用热泵空调实现电池的直冷直热、电驱系统的冷却以及乘员舱的制冷和采暖的有机统一。电驱回路中， 设置了单独水冷回路， 通过板式换热器与热泵系统相连进行热量传递， 可实现余热回收以及堵转加热功能；寒冷的冬季， 为解决热泵空调采暖效果差的问题， 匹配了PTC， 以增加乘员舱采暖效果。该热管理系统可实现多种模式下的冷却和加热需求。

3.2 热管理系统原理

因该系统有多种工作模式， 本文仅介绍电池或乘员舱需要冷却和加热模式的工作原理。

1） 动力电池冷却原理。当动力电池温度较高需要冷却时， 系统中的空调制冷电磁阀、空气换热电磁阀、电池电子膨胀阀和电池冷却电磁阀开启（电池加热电磁阀关闭）， 冷媒流经电池电子膨胀阀时， 经节流膨胀， 在电池包板式换热器内蒸发吸热， 将热量带走， 实现电池冷却的目的。若此时乘员舱也有制冷需求， 只需将制冷电子膨胀阀开启（空调采暖电磁阀关闭）， 部分冷媒在车内蒸发器蒸发吸热， 实现乘员舱制冷。

2） 动力电池加热原理。当电池温度较低需要加热时，系统中的电池加热电磁阀、电池电子膨胀阀、水源换热电磁阀、空调采暖电磁阀开启（采暖电子膨胀阀、空调制冷电磁阀、空气换热电磁阀、制冷电子膨胀阀关闭）， 经过压缩机压缩的高温冷媒流经电池包板式换热器， 对低温的电池进行加热。加热后冷媒温度降低， 流经板式换热器，吸收电驱回路的热量， 实现余热回收。若此时乘员舱也有加热需求， 只需将采暖电子膨胀阀开启， 部分高温冷媒流经车内冷凝器， 向乘员舱放热， 之后与电池加热冷媒在板式换热器前汇合， 继续参与循环。若环境温度很低， 系统开启PTC辅助乘员舱采暖。

本文介绍了纯电动汽车动力电池冷却和加热的不同方式， 列举了某款纯电动汽车基于热泵空调整车热管理系统的案例。设计人员在进行动力电池热管理设计时， 可以参考本文描述的技术方案， 合理设计车辆热管理系统， 提升整车热管理水平， 实现节能、舒适性和安全性的有机统一。