鉅大LARGE | 點擊量:5097次 | 2018年10月22日
江淮iEV系電動汽車動力電池液冷技術深度解析
江淮汽車,自2012年首款iEV4上市以來,先后推出多款iEV系列電動汽車。至2018年,江淮iEV系電動汽車,全系引入“動力電池液冷高溫散熱低溫預熱”系統,使得以18650電芯構成的動力電池,具備更好的低溫活性和高溫冷卻能力。而標配這種“動力電池液冷高溫散熱低溫預熱”技術(后文簡稱動力電池液冷技術)的iEV系列電動汽車,更好的平衡了續航里程、充電速度和整車安全性。
本文將對江淮iEV系電動汽車動力電池液冷技術深度解析。
1、為什么要配置動力電池液冷技術?
作為電動汽車最關鍵的“3電(電機、電池和控制)”系統,動力電池總成受內部和外部溫度變化,會影響續航里程、充電速度以及整車安全性能。
動力電池總成,由電芯、以及電芯構成的模組構成,并且由BMS(電池管理系統)控制。一旦電池電芯或PACK過熱,產生的熱量不能迅速排出,極有可能造成動力電池總成燃燒。然而,動力電池總成在極低溫度下使用,也會出現放電效率低下,動力輸出不穩定,影響電動汽車正常使用。
根據車輛技術需求,為動力電池總成適配主動風冷、被動風冷以及液冷散熱系統。根據過去4年(2014年-2018年),中國市場銷售和使用的電動汽車綜合表現看,配置動力電池液冷技術,可以有效提升高溫散熱和低溫預熱效能。使得電動汽車,始終如一的處于正常溫度范圍內行駛和充電。
2、江淮iEV動力電池液冷技術工作原理:
動力電池液態高溫散熱低溫預熱技術,實際由兩套散熱/預熱管路構成。導熱液態物質多為可滿足散熱需求最高沸點的專用冷卻液(多為乙二醇類)。動力電池內部有1套主鏈接管路,以及多條圍繞電芯的分管路構成,N套溫度傳感器和控制線纜由BMS系統檢測,以控制散熱循環管路,達到所有電芯都處于預設定范圍內的溫度。
如上圖所示,江淮iEV系動力電池液冷技術,是用一套管路將冷卻和加熱部件串聯起來(動力艙內)和動力電池內部1套管路。
膨脹水壺:存儲因壓力影響“溢出”的冷卻液同時具備排氣功能
電子水泵:電驅動可變泵推壓力,調節散熱管路冷卻液流動速度,配合BMS控制系統,達到精確控制電池內部溫度
電池冷卻器:引入空調系統中的冷媒,在膨脹閥節流并蒸發,吸收動力電池散熱管路冷卻液的熱量,已達到散熱降溫目的
水加熱器:基于PTC技術的水加熱器占用動力電池電量較低,且不易出現功率輸出極高或極低工況,對整車能量輸出影響小,同時具備多檔調節功能。
液冷扁管:動力電池內部圍繞18650型電芯的散熱管路,因為圓柱形18650型電芯自身的弧度,散熱管路必須貼合才可達到散熱效率最大化導致數節電芯并排布置
宋楠:解析江淮iEV系電動汽車動力電池液冷技術
可變流量的電子水泵,依靠動力電池輸出并轉化的低壓電驅動。較內燃機適配的傳統水泵(通過曲軸鏈接)最大不同,電子水泵可以通過調節電流,無級輸出不同泵推力。在散熱或預熱需求并不強烈時,電子水泵泵推力降低,在維持動力電池溫度正常工況同時,節省電子水泵對電量輸入需求,間接降低能耗。
動力電池液態散熱模式:
當動力電池使用溫度高于設計溫度時,電池冷卻器與空調系統“互動”。空調系統產生的制冷能量,交互動力電池散熱管路降溫。輸出給動力電池內部管路溫度更低的冷卻液,將電芯產生的熱量,通過液冷偏管進行充分“熱交換”,將熱量從出水口帶出。
動力電池液態預熱模式:
當外部溫度低于動力電池最低使用溫度時,液態預熱功能開啟。電子水泵開始全速運行,將冷卻液泵入水加熱器。水加熱器產生的熱量,在通過加溫后的冷卻液進入動力電池內部,通過液冷偏管,將電芯熱量帶走進入外部大循環管路。
實際上,無論散熱還是預熱模式,都是BMS系統控制策略一部分。為的是保證動力電池通過液冷管路,將冷和熱兩種能量,通過偏管影響電芯,使其保證在預設的溫度范圍使用。
動力電池內部管路主要由冷卻偏管和多通閥體構成,布設在動力艙的管路串聯了電子水泵、補水壺、電池冷卻器和水加熱器。
散熱模式下,冷卻液經過電子水泵,泵入運行的電池冷卻器,經過未啟動的水加熱器(保持管路暢通),為動力電池散熱。
預熱模式下,冷卻液經過電子水泵,泵入未啟動的電池冷卻器(保持管路暢通),經過啟動的水加熱器,為動力電池預熱。
3、江淮iEV系動力電池液冷技術特點:
極寒環境使得動力電池電芯活性降低,放電效率變差,導致續航里程縮短,以及快充電流降低,影響了駕乘感受。而為了保證駕駛艙內處于合適的溫度,開啟制熱空調,消耗更大的電池電量,加速續航里程縮短程度。
高溫環境使得動力電池電芯溫度驟然升高,雖然不影響放電效率,但全負載使用,電芯產生的熱量不能快速排出,導致電池電芯活性激增,容易出現燃燒或自燃事故。
以適配了動力電池液冷技術的江淮iEV7S電動汽車為例。
使用18650型電芯的江淮iEV系電動汽車的動力電池液冷系統,有別于采用方形電芯的熱管理系統。與每組由圓柱形18650電芯構成的PACK都由1組液冷偏管伺服和溫度傳感器(信號反饋至BMS系統),保證每只電芯溫度都可以得到均衡的預熱或散熱支持。
江淮iEV7S電動汽車的動力電池總成,由18560型電芯構成,裝載電量39度電。在適配液冷偏管技術后,在極寒環境的負20攝氏度時開啟電池預熱模式,各個電芯之間最終溫差5攝氏度左右;在高溫環境的急加速和急減速等最惡劣工況,開啟制冷模式各電芯之間溫差7攝氏度左右;車輛正常行駛工況,各電芯之間溫差處于3攝氏度以內。
江淮iEV7S電動汽車的電子水泵需求功率90瓦,預熱模式下水加熱器耗電量約2度電左右,占總能量5%左右,制冷模式下電池冷卻器耗電量約1.2度,占總能量的3%左右。
江淮iEV7S的動力電池電芯的預熱速率0.6度電/分鐘,50分鐘左右可以從負20度極寒環境加熱到10攝氏度以上,散熱速率為0.5度/分鐘,預計在40攝氏度的高溫環境下,10分鐘即可降到35攝氏度以內。
液冷扁管裝配具有一定貼合冗錯設計,即便在在極端裝配扁差下,也可保證電池和電芯的貼合面積,保證熱量及時帶走每一個電芯的熱量。
引入了動力電池液冷散熱技術后,動力電池總成內部的數千節18650型電芯溫度處于10-35攝氏度范圍,系統內各單體電芯之間溫差小于5攝氏度。
但是,受到18650型電芯布局影響,上下前后兩側的電芯,散熱和預熱效率高于中間布置的電芯。因此才生的散熱能力的不均衡,甚至會導致“熱失控”,由此引發嚴重事故。因此,為數百節根據電池總成形狀串并聯18650型電芯,布設“半包裹”的液冷偏管極有必要。
相對主動風冷散熱系統,靠近風道邊緣的電芯降溫效果明顯,而處于“中間”位置的電芯降溫效能不高。甚至可能出現高達19攝氏度。
適配動力電池液冷技術后,電池電芯溫度處于10-35攝氏度,較最合理的23攝氏度更貼合。
有研究數據表明:
在環境溫度23攝氏度時,6238余天后,電池剩余容量為80%。但是電池在55攝氏度環境下,272天后電池剩余容量已達到80%。溫度升高至32攝氏度,電芯平均壽命下降95%以上。
在江淮iEV系多款電動汽車上,標配的動力電池液冷系統之前,都要根據不同車型自重、電機功率、續航里程以及快充電流等參數進行仿真測試。
尤其在不同工況(開/閉空調、環境溫度、電池溫度)對制冷劑不同流量精準計算,最終獲得電池內部偏管布設數量、形狀和結構。保證在散熱模式開啟后3分鐘,帶走70%的電芯熱量。并根據所有處于BMS系統監控下的電芯溫度,決定制冷劑在管路內流動速度,平衡動力電池分配給電子水泵的耗電量和續航用耗電量。
筆者有話說:
至2018年,以iEV7S為代表的多款以上市的江淮電動汽車配備動力電池液冷技術,在克服18650型電池固有的短板(電芯數量大,對散熱需求數量多布置復雜)后,細化動力電池散熱和預熱溫度控制效能,降低電池總成除電芯外附屬分系統重量,以此提升電驅動效率。
可以說,動力電池液冷技術的適配,且與整車的有效集成,滿足iEV7S及其他江淮系列電動汽車,在不增加整車自重前提下,滿足極寒和高溫用車工況的續航里程真實性,拉升快充電流縮短充電周期,并具備更好的整車安全性能。