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电动车电池温控方式内有玄机安全和高效都少不

发布时间:2021-07-04 11:03

  电动汽车因为有大半成本流向了电池,电池技术高低会很大程度影响电动汽车的水平。所以我们平时会很关注电池技术指标,比如容量、能量密度、放电倍率等。

  不过大家还是发现,即便指标相差不多,依然会出现表现不一,甚至个别车型还发生了起火事故。这不得不让我们担心起来,是不是忽视了某些重要技术指标?

  其实不管是哪种类型的电池,各大新闻中,我们经常能看到 高、低温对电池安全和高效的影响不可小觑 的字眼。这启发应该好好关注下电池的温控技术。

  动力电池温度控制的目标是将动力电池始终处于良好工作状态,比如锂电池的理想工作温度是 20 ℃ ~40 ℃,那我们就要尽可能将电池温度维持在这个范围内。因为高温会影响电池的寿命和安全性,低温会影响电池的充放电能力。

  大电流充电下,极化内阻增大会导致焦耳发热效应加剧带来副反应,如电解液的反应分解、产气等一系列问题,对电池安全性产生影响。

  这些听起来可能有些枯燥,我们拿两个大家经常会遇到的现象来解释工程师是怎么利用这个原则的。

  现在的很多纯电动汽车充电器都有快充功能,使用下来,会发现一般只需要半个小时左右就可以充到 80%,不过往后的 20% 充电速度要慢的多。

  之所以会这样,和快充采用的是大电流有很大关系。焦耳定律公式告诉我们 Q=I2Rt,说的就是电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比。所以在充电过程中,如果一直采用大电流,容易引发线路过负荷、元器件高温,有起火隐患。

  为了防止长时间大电流充电而引发的过热,在设定上,BMS 系统会在电池容量充到 80% 左右时,将充电模式切换成恒压模式,并降低充电电流,充电速度因此会明显放慢。

  当然,单纯通过电流电压的调控还不足以将温度控制在适宜范围内,快充过程中还需要采用冷却手段带走热量。比如液冷方式,会让 ETC(电子节气门)承担控制冷却液温度的工作;让 BMS 承担控制冷却液与电池包内部的热量交换工作。

  又或者在冬天的时候,我们发现动力电池不耐用、不好用,这一现象是因为低温会降低锂电池的可用容电量(见下图)、增大电池极化内阻。前者自然不用多说,后则会导致输出到电机上的电压下降,产生加速无力感。

  有没有发现,极化内阻高低温都受不了?这是因为极化电阻包括电化学极化和浓差极化,高温浓差极化大、低温电化学极化大,所以高低温都吃不消。

  我们知道三元锂电池因为低温适应性更好,放电性能比磷酸铁锂电池要好,但即便如此,在 -20 ℃环境下电池以 0.2C 倍率放电时容量也还是要比常温 25 ℃时下降 25% 左右。

  所以我们需要给电池升温。比如比亚迪 EV360 配备的电池智能温控管理系统,电池加热是通过一个加热器从动力电池取电,发热之后通过液冷传送到电池包,给电池进行加热。

  特斯拉在今年 4 月的时候推出的 在途电池预热 功能也是如此,说的是当驾驶员向车辆导航系统发出指令,寻找超级充电桩时,该系统会给电池加热,从而可让电池在充电之前达到最佳充电温度。据称,该功能可将充电时间减少 25%。

  从以上介绍我们知道了,针对电池不能过热的问题,动力电池组冷却系统会帮助动力电池组及时降温,以防动力电池组温度升高过快。

  因为要结合整车的性能以及空间大小、系统的稳定性和成本高低,动力电池冷却系统呈现了多种技术方案,这些方案直接影响着我们的用车体验。

  动力电池常用的冷却方式可以分为四种,即自然冷却,风冷,间接冷却(液冷),直接冷却(相变冷却 / 制冷剂直冷)。因为每种电池的工作机理不同,他们的高低温性能也会有所不同,冷却需求自然也会跟随改变。

  比如磷酸铁锂电池耐高温性能好,因此一般来说,可以直接采用自然冷却。像比亚迪在秦,唐,宋,E6,腾势等采用磷酸铁锂电池的车型上就都采用了此方案。

  不过三元锂电池的理想工作温度相对狭窄(20 ℃ ~40 ℃),耐高温性能差,就最好是采用特殊的强制冷却措施。所以我们能看到比亚迪在采用三元锂电池的车型上就切换为了液冷。

  选购电动车的朋友都听说三元锂电池的大名,诸如的比亚迪、特斯拉、蔚来等企业都采用了这种电池。所以接下来我们主要就三元锂电池的冷却方案做下介绍。

  风冷结构简单、安全,维护方便,成本也较低,是目前电池模组采用最多的散热方式。这其中以强制对流冷却方式居多,简单说是利用鼓风机,将空气通过空调制冷系统的蒸发器转变为冷风,同过设定的管道去吹电池,给电池降温。

  不过风冷因为散热量有限,通常是使用在散热需求小的中混车型上。又或者是一些主打性价比、续航里程不太长的纯电动车上。比如第一代起亚 Soul EV,这款车在欧洲市场的销量就很好,同样是采用了风冷系统。

  我们知道动力电池并不是每一处的发热温度是一样的,拿特斯拉 Model S 来说,它的电池包由 7000 多个 18650 型电池组成,换言之就是 7000 多个发热体。这些电池就好比人体的器官温度,很难实现每一处温度一致。

  Model 3 因为采用了性能更强的 2170 型电池,电池单体数量减少,更有利于温度一致性控制,这也是 Model 3 进化的一个原因。

  和人一样,我们希望动力电池各处的温差不要相差太大,不然动力电池就会感冒发烧了。我们拿奥迪 e-tron 来说,要求是整个电池包液冷系统温差控制在 5 ℃以内,电芯间的温差控制在 5 ℃以内,电芯本体的温差控制在 10 ℃以内,这个要求是行业内比较有代表性的高标准。

  风冷模式下,因为空气与电池表面热交换系数低,加之空气在流动过程中会不断被加热,很难保证电池模组内单体电池之间的温度一致。特别是串行通风时,流动的空气会不断地被加热,所以右侧的冷却效果会差一些。

  当然也不是说风冷的均匀性就一定很差了,像设计风道(比如采用并行通风)、提升冷却板的接触导热能力等,也都是可以改善一致性问题的,只不过水冷的效果更直接有效。因为相比于风冷,制冷液的导热率高,可以使电池快速降温,更有利于保持单体电池之间温度的一致性。

  我们还是拿特斯拉来说,下图(蓝色线条)是 Model S 的冷却系统回路。

  虽然这种设计的缺点是蛇形冷板会增加液冷系统的压力损失,并且如上文提到的还存在串联系统的弊端,但因为 Model S 的圆柱型电池单体多,采用这种方式才能更好确保电池温度的一致性。这也正好反向证明了,在条件相当的情况下,液冷模式是更好的温控办法。

  正因此,我们发现第三代起亚 Soul EV 就更改为了液冷系统。这款车原本计划在 2019 年登陆其他市场,但日产起亚推迟了这一计划,原因是在欧洲实在太好卖,导致零部件供应商供不上来动力电池配件。

  无独有偶,本田 2018 款 Clarity PHEV 车型的电池组也是换装的液冷系统,本田此前的混合动力车以及插电式混合动力车的电池组采用都是风冷系统。

  如果要再苛求下去,能发现制冷液因为黏度大的原因,限制了流动的速度,导致换热效果也不能说最好。

  要说直冷和液冷最大不同点,那就是它使用了相变材料替代冷却液。相变材料在物相发生转变时将吸收或释放大量的潜热,其冷却效率比制液冷高出 3~4 倍,并且避免了乙二醇溶液在电池箱体内部流动带来的泄漏等一系列问题。

  关于水冷板,有一个 内部腐蚀性试验 ,说的就是冷却液在管内流动时会腐蚀、冲刷内壁,导致内壁变薄,当加压时,有泄漏的风险。

  不过这种系统因为核心部件电池蒸发器的均温设计非常困难,而且控制逻辑要更复杂,现在被采用的还不多见。不过像宝马 i3 还是克服了困难,借着是小电池包的客观优势(蒸发器比较小,容易控制),以及控制精度很高的电子膨胀阀,成功实现了直冷模式。

  从以上介绍,我们知道了动力电池温控技术的重要性。可以说,电动汽车电池温控方式真是内有玄机,安全和高效都少不了它。本期我们重点介绍的是行业内普遍使用的几套冷却系统基本模式,能发现在接下来一段时间内,水冷模式会是热门。现阶段看,这种模式是降温效果比较好,而且成本相对居中的方案。

  当然,我们也不能一棒子打死传统的风冷模式,对于低成本车型和混动车型来说,风冷依然会是首选方案。只不过在消费者越来越苛求使用体验下,厂家们好好要考虑下未来了。


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