宋楠:解析江淮iEV系电动汽车动力电池液冷技术

江淮汽车,自2012年首款iEV4上市以来,先后推出多款iEV系列电动汽车。至2018年,江淮iEV系电动汽车,全系引入“动力电池液冷高温散热低温预热”系统,使得以18650电芯构成的动力电池,具备更好的低温活性和高温冷却能力。而标配这种“动力电池液冷高温散热低温预热”技术(后文简称动力电池液冷技术)的iEV系列电动汽车,更好的平衡了续航里程、充电速度和整车安全性。

本文将对江淮iEV系电动汽车动力电池液冷技术深度解析。

1、为什么要配置动力电池液冷技术?

作为电动汽车最关键的“3电(电机、电池和控制)”系统,动力电池总成受内部和外部温度变化,会影响续航里程、充电速度以及整车安全性能。

动力电池总成,由电芯、以及电芯构成的模组构成,并且由BMS(电池管理系统)控制。一旦电池电芯或PACK过热,产生的热量不能迅速排出,极有可能造成动力电池总成燃烧。然而,动力电池总成在极低温度下使用,也会出现放电效率低下,动力输出不稳定,影响电动汽车正常使用。

根据车辆技术需求,为动力电池总成适配主动风冷、被动风冷以及液冷散热系统。根据过去4年(2014年-2018年),中国市场销售和使用的电动汽车综合表现看,配置动力电池液冷技术,可以有效提升高温散热和低温预热效能。使得电动汽车,始终如一的处于正常温度范围内行驶和充电。

2、江淮iEV动力电池液冷技术工作原理:

动力电池液态高温散热低温预热技术,实际由两套散热/预热管路构成。导热液态物质多为可满足散热需求最高沸点的专用冷却液(多为乙二醇类)。动力电池内部有1套主链接管路,以及多条围绕电芯的分管路构成,N套温度传感器和控制线缆由BMS系统检测,以控制散热循环管路,达到所有电芯都处于预设定范围内的温度。

如上图所示,江淮iEV系动力电池液冷技术,是用一套管路将冷却和加热部件串联起来(动力舱内)和动力电池内部1套管路。

膨胀水壶:存储因压力影响“溢出”的冷却液同时具备排气功能

电子水泵:电驱动可变泵推压力,调节散热管路冷却液流动速度,配合BMS控制系统,达到精确控制电池内部温度

电池冷却器:引入空调系统中的冷媒,在膨胀阀节流并蒸发,吸收动力电池散热管路冷却液的热量,已达到散热降温目的

水加热器:基于PTC技术的水加热器占用动力电池电量较低,且不易出现功率输出极高或极低工况,对整车能量输出影响小,同时具备多档调节功能。

液冷扁管:动力电池内部围绕18650型电芯的散热管路,因为圆柱形18650型电芯自身的弧度,散热管路必须贴合才可达到散热效率最大化导致数节电芯并排布置

可变流量的电子水泵,依靠动力电池输出并转化的低压电驱动。较内燃机适配的传统水泵(通过曲轴链接)最大不同,电子水泵可以通过调节电流,无级输出不同泵推力。在散热或预热需求并不强烈时,电子水泵泵推力降低,在维持动力电池温度正常工况同时,节省电子水泵对电量输入需求,间接降低能耗。

动力电池液态散热模式:

当动力电池使用温度高于设计温度时,电池冷却器与空调系统“互动”。空调系统产生的制冷能量,交互动力电池散热管路降温。输出给动力电池内部管路温度更低的冷却液,将电芯产生的热量,通过液冷偏管进行充分“热交换”,将热量从出水口带出。

动力电池液态预热模式:

当外部温度低于动力电池最低使用温度时,液态预热功能开启。电子水泵开始全速运行,将冷却液泵入水加热器。水加热器产生的热量,在通过加温后的冷却液进入动力电池内部,通过液冷偏管,将电芯热量带走进入外部大循环管路。

实际上,无论散热还是预热模式,都是BMS系统控制策略一部分。为的是保证动力电池通过液冷管路,将冷和热两种能量,通过偏管影响电芯,使其保证在预设的温度范围使用。

动力电池内部管路主要由冷却偏管和多通阀体构成,布设在动力舱的管路串联了电子水泵、补水壶、电池冷却器和水加热器。

散热模式下,冷却液经过电子水泵,泵入运行的电池冷却器,经过未启动的水加热器(保持管路畅通),为动力电池散热。

预热模式下,冷却液经过电子水泵,泵入未启动的电池冷却器(保持管路畅通),经过启动的水加热器,为动力电池预热。

3、江淮iEV系动力电池液冷技术特点:

极寒环境使得动力电池电芯活性降低,放电效率变差,导致续航里程缩短,以及快充电流降低,影响了驾乘感受。而为了保证驾驶舱内处于合适的温度,开启制热空调,消耗更大的电池电量,加速续航里程缩短程度。

高温环境使得动力电池电芯温度骤然升高,虽然不影响放电效率,但全负载使用,电芯产生的热量不能快速排出,导致电池电芯活性激增,容易出现燃烧或自燃事故。

以适配了动力电池液冷技术的江淮iEV7S电动汽车为例。

使用18650型电芯的江淮iEV系电动汽车的动力电池液冷系统,有别于采用方形电芯的热管理系统。与每组由圆柱形18650电芯构成的PACK都由1组液冷偏管伺服和温度传感器(信号反馈至BMS系统),保证每只电芯温度都可以得到均衡的预热或散热支持。

江淮iEV7S电动汽车的动力电池总成,由18560型电芯构成,装载电量39度电。在适配液冷偏管技术后,在极寒环境的负20摄氏度时开启电池预热模式,各个电芯之间最终温差5摄氏度左右;在高温环境的急加速和急减速等最恶劣工况,开启制冷模式各电芯之间温差7摄氏度左右;车辆正常行驶工况,各电芯之间温差处于3摄氏度以内。

江淮iEV7S电动汽车的电子水泵需求功率90瓦,预热模式下水加热器耗电量约2度电左右,占总能量5%左右,制冷模式下电池冷却器耗电量约1.2度,占总能量的3%左右。

江淮iEV7S的动力电池电芯的预热速率0.6度电/分钟,50分钟左右可以从负20度极寒环境加热到10摄氏度以上,散热速率为0.5度/分钟,预计在40摄氏度的高温环境下,10分钟即可降到35摄氏度以内。

液冷扁管装配具有一定贴合冗错设计,即便在在极端装配扁差下,也可保证电池和电芯的贴合面积,保证热量及时带走每一个电芯的热量。

引入了动力电池液冷散热技术后,动力电池总成内部的数千节18650型电芯温度处于10-35摄氏度范围,系统内各单体电芯之间温差小于5摄氏度。

但是,受到18650型电芯布局影响,上下前后两侧的电芯,散热和预热效率高于中间布置的电芯。因此才生的散热能力的不均衡,甚至会导致“热失控”,由此引发严重事故。因此,为数百节根据电池总成形状串并联18650型电芯,布设“半包裹”的液冷偏管极有必要。

相对主动风冷散热系统,靠近风道边缘的电芯降温效果明显,而处于“中间”位置的电芯降温效能不高。甚至可能出现高达19摄氏度。

适配动力电池液冷技术后,电池电芯温度处于10-35摄氏度,较最合理的23摄氏度更贴合。

有研究数据表明:

在环境温度23摄氏度时,6238余天后,电池剩余容量为80%。但是电池在55摄氏度环境下,272天后电池剩余容量已达到80%。温度升高至32摄氏度,电芯平均寿命下降95%以上。

在江淮iEV系多款电动汽车上,标配的动力电池液冷系统之前,都要根据不同车型自重、电机功率、续航里程以及快充电流等参数进行仿真测试。

尤其在不同工况(开/闭空调、环境温度、电池温度)对制冷剂不同流量精准计算,最终获得电池内部偏管布设数量、形状和结构。保证在散热模式开启后3分钟,带走70%的电芯热量。并根据所有处于BMS系统监控下的电芯温度,决定制冷剂在管路内流动速度,平衡动力电池分配给电子水泵的耗电量和续航用耗电量。

笔者有话说:

至2018年,以iEV7S为代表的多款以上市的江淮电动汽车配备动力电池液冷技术,在克服18650型电池固有的短板(电芯数量大,对散热需求数量多布置复杂)后,细化动力电池散热和预热温度控制效能,降低电池总成除电芯外附属分系统重量,以此提升电驱动效率。

可以说,动力电池液冷技术的适配,且与整车的有效集成,满足iEV7S及其他江淮系列电动汽车,在不增加整车自重前提下,满足极寒和高温用车工况的续航里程真实性,拉升快充电流缩短充电周期,并具备更好的整车安全性能。

文/新能源情报分析网(换个角度看车市)宋楠

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