混合动力车型动力电池风冷和液冷技术对比

王锦艳 伍俊 孙萧 张彩虹

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司,宁波 315338）

主题词：动力电池 热管理 风冷 液冷

1 引言

锂离子电池是一种极具发展前景的高能量密度电池[1]，是当前汽车行业内新能源汽车应用最为广泛的电池类型。锂离子电池内部结构主要包括正负极、集流体、隔膜以及电解液，常见的正极材料有磷酸铁锂、三元锂、锰酸锂、钴酸锂，负极材料一般为石墨、硅碳复合物[2]。锂离子电池的反应原理是锂离子的往复运动，在充电过程中，正极材料中的锂离子脱出，穿过隔膜嵌入到负极的石墨碳层中；在电池放电时，锂离子又从负极石墨中脱出[3]回到正极，因此锂离子电池又被称为是“摇椅”电池。

锂离子电池的可用电量影响车辆的续驶里程，放电功率影响车辆的动力性,充电功率影响车辆的充电速度。上述电池的特性与电池的电压、内阻、容量、荷电状态、循环寿命息息相关，而电池参数的变化又很容易受到温度的影响[4-5]。当锂离子电池工作环境温度较高时，电池材料的化学活性会有所提高，因此电池的放电容量能够有一定的提升，但同时也会导致电池材料的老化速度加快，电池极化严重，循环寿命衰减严重。如果工作温度过高，电池可能会起火、爆炸，危害车辆和车上人员的安全。当锂离子电池在低温下工作时，电池材料的化学活性会有所下降，电池充放电容量减小、极化增大，电池容易生成枝晶，造成内短路事故，同时影响电池的循环寿命[6]。

综上，做好电池热管理，将电池控制在适宜工作温度显得尤为重要，这样才能更好的发挥电池作为新能源车辆动力源的功能，同时保证车辆及人员安全。风冷和液冷是目前电池热管理应用最多的冷却方式，本文对2种冷却方式实际应用车型进行冷却原理分析及热平衡测试，通过分析冷却介质的温度与电芯温度数据，更准确的了解2种冷却方式在动力电池上的表现，根据2款车型特点，判断风冷技术仅适用于电池电量2 kW·h以内的混动车型，而液冷技术适用于高电量的插电混动车型。

2 风冷技术及实测数据

动力电池风冷技术是指利用空气作为热量交换载体，控制动力电池系统内部温度的技术，该技术通常使用风扇和管道完成空气在电池系统内的流动，利用空调系统实现对空气的加热和冷却。由于风冷技术散热能力有限，通常对于非插电式混动汽车，电池电量在2 kW·h以内会采用风冷技术实现对动力电池的热管理。图1是一款混动车型的动力电池包，采用风冷技术，从乘员舱引入气流，经过风扇后并行进入电池包，调节电池单体温度后，从后端出风口排出至车外。

图1 动力电池风冷系统

对一款采用风冷技术的混动汽车进行热管理测试，测试工况见表1，在高温环境下对车辆山路爬坡、最大车速、城市工况进行测试，记录电池热管理相关参数。电池包内空气温度、电芯温度和电池荷电状态（State of Charge,SOC）随不同测试工况的变化曲线如图2所示，主要结果如下。

图2 不同工况风冷技术热管理测试结果

表1 热管理测试工况

（1）电芯温度最高为53℃，出现在山路爬坡工况，城市怠速工况次之，为52℃，最大车速工况电芯温度最高为46℃；在高温环境下，电芯温度在55℃以内，平均温度为40℃，处于较高的温度水平；

（2）电池包内空气温度在山路爬坡、城市怠速工况均在43～47℃之间，在最大车速工况时在34～42℃之间，该温度值与车速关联较强；

（3）该车电池包电量约为1.5 kW·h，电池SOC在40%～80%之间波动。

3 液冷技术及实测数据

动力电池液冷技术是指利用冷却液作为热量交换载体，控制动力电池系统内部温度的技术，该技术通常使用水泵和管道完成冷却液在电池系统内的流动。根据不同车型，可利用发动机、恒温加热器（Positive Temperature Coefficient，PTC）和电驱回路的热量对冷却液进行加热。可采用常规散热器与外界空气进行热交换来对冷却液进行降温，也可通过电池换热器，利用空调冷媒与冷却液进行热交换，实现对电池液冷系统的冷却。对于上述2种方式，在同一车型上，一般为同时采用或单独采用电池冷却器。液冷技术散热能力较好，在纯电动汽车与插电混汽车上应用广泛。图3是一款车型的动力电池液冷系统，根据电池包的温度控制电池冷却液和水加热器的开启，实现回路内冷却液的温度调节，从而使动力电池包处于适宜的工作温度。

图3 动力电池液冷系统

对一款插电混动车进行测试，该车电池电量为35 kW·h，采用电池冷却器利用空调冷媒与冷却液进行热交换，对动力电池降温，电池加热利用PTC进行。按照该车测试工况（表1），对城市怠速工况及最大车速进行了热管理测试并记录数据。电池包进水温度、电池包出水温度、电芯温度、空调高压随时间的变化曲线如图4所示，主要结果如下。

图4 液冷技术热管理测试结果

（1）电芯温度在约38℃时，空调高压明显升高，电池冷却器工作对电池包进行降温，当电池包进水温度降至约25℃时电池冷却器停止工作；

（2）在最大车速工况，电池包电芯温度最高达40℃，最低为37.5℃，平均为38.5℃；

（3）在城市怠速工况，电池包电芯温度最高达39℃，最低为37.5℃，平均为38.6℃；

（4）采用液冷技术，电芯温度较为稳定，电芯温度的调节仅与空调负载有关。

4 结束语

经过对采用风冷和液冷技术的车型进行测试对比，得出以下结论。

（1）系统硬件方面

风冷技术包含的零部件少，所需布置空间不大，设计难度不高；

液冷技术包含零部件较多，冷却液加热及冷却需要不同的部件实现，与空调冷媒、前端进风、发动机回路都有可能存在交互，回路设计多变，设计难度较高；

（2）冷却效果方面

风冷技术通过空气作为冷却媒介，散热效果有限，仅适用于非插电混动车型，在高温工况下，动力电池处于较高的工作温度，动力电池存在高温热失控风险；

液冷技术通过冷却液作为冷却媒介，利用空调冷媒进行降温，散热效果显著，可适用于插电式混动车型，在高温工况下，动力电池可以保持在较为适宜的工作温度，动力电池的功能、安全都能得到比较有效的保证。