「AstonCar雅斯頓」電動車電池溫控方式內有玄機安全高效少不了它雅斯頓原創文章

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雅斯頓原創文章|Zinc

電動汽車因為有大半成本流向了電池，電池技術高低會很大程度影響電動汽車的水平。所以我們平時會很關注電池技術指標，比如容量、能量密度、放電倍率等。

不過大家還是發現，即便指標相差不多，依然會出現表現不一，甚至個別車型還發生了起火事故。這不得不讓我們擔心起來，是不是忽視了某些重要技術指標？

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其實不管是哪種類型的電池，各大新聞中，我們經常能看到“高、低溫對電池安全和高效的影響不可小覷”的字眼。這啟發應該好好關注下電池的溫控技術。

1兩個常見現象說明溫控技術重要性

動力電池溫度控制的目標是將動力電池始終處于良好工作狀態，比如鋰電池的理想工作溫度是20℃~40℃ ，那我們就要盡可能將電池溫度維持在這個范圍內。因為高溫會影響電池的壽命和安全性，低溫會影響電池的充放電能力。

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大電流充電下，極化內阻增大會導致焦耳發熱效應加劇帶來副反應，如電解液的反應分解、產氣等一系列問題，對電池安全性產生影響。

這些聽起來可能有些枯燥，我們拿兩個大家經常會遇到的現象來解釋工程師是怎么利用這個原則的。

現在的很多純電動汽車充電器都有快充功能，使用下來，會發現一般只需要半個小時左右就可以充到80% ，不過往后的20%充電速度要慢的多。

之所以會這樣，和快充采用的是大電流有很大關系。焦耳定律公式告訴我們Q=I2Rt ，說的就是電流通過導體產生的熱量與電流的平方成正比。所以在充電過程中，如果一直采用大電流，容易引發線路過負荷、元器件高溫，有起火隱患。

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焦耳定律是定量說明傳導電流將電能轉換為熱能的定律。

為了防止長時間大電流充電而引發的過熱，在設定上， BMS系統會在電池容量充到80%左右時，將充電模式切換成恒壓模式，并降低充電電流，充電速度因此會明顯放慢。

當然，單純通過電流電壓的調控還不足以將溫度控制在適宜范圍內，快充過程中還需要采用冷卻手段帶走熱量。比如液冷方式，會讓ETC（電子節氣門）承擔控制冷卻液溫度的工作；讓BMS承擔控制冷卻液與電池包內部的熱量交換工作。

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又或者在冬天的時候，我們發現動力電池不耐用、不好用，這一現象是因為低溫會降低鋰電池的可用容電量（見下圖）、增大電池極化內阻。前者自然不用多說，后則會導致輸出到電機上的電壓下降，產生加速無力感。

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有沒有發現，極化內阻高低溫都受不了？這是因為極化電阻包括電化學極化和濃差極化，高溫濃差極化大、低溫電化學極化大，所以高低溫都吃不消。

我們知道三元鋰電池因為低溫適應性更好，放電性能比磷酸鐵鋰電池要好，但即便如此，在-20℃環境下電池以0.2C倍率放電時容量也還是要比常溫25℃時下降25%左右。所以我們需要給電池升溫。比如比亞迪EV360配備的電池智能溫控管理系統，電池加熱是通過一個加熱器從動力電池取電，發熱之后通過液冷傳送到電池包，給電池進行加熱。

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特斯拉在今年4月的時候推出的“在途電池預熱”功能也是如此，說的是當駕駛員向車輛導航系統發出指令，尋找超級充電樁時，該系統會給電池加熱，從而可讓電池在充電之前達到最佳充電溫度。據稱，該功能可將充電時間減少25% 。

1電池冷卻系統原來有這么多方案

從以上介紹我們知道了，針對電池不能過熱的問題，動力電池組冷卻系統會幫助動力電池組及時降溫，以防動力電池組溫度升高過快。

因為要結合整車的性能以及空間大小、系統的穩定性和成本高低，動力電池冷卻系統呈現了多種技術方案，這些方案直接影響著我們的用車體驗。

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動力電池常用的冷卻方式可以分為四種，即自然冷卻，風冷，間接冷卻（液冷），直接冷卻（相變冷卻/制冷劑直冷）。因為每種電池的工作機理不同，他們的高低溫性能也會有所不同，冷卻需求自然也會跟隨改變。

比如磷酸鐵鋰電池耐高溫性能好，因此一般來說，可以直接采用自然冷卻。像比亞迪在秦，唐，宋， E6 ，騰勢等采用磷酸鐵鋰電池的車型上就都采用了此方案。

不過三元鋰電池的理想工作溫度相對狹窄（20℃~40℃），耐高溫性能差，就最好是采用特殊的強制冷卻措施。所以我們能看到比亞迪在采用三元鋰電池的車型上就切換為了液冷。

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1三元鋰電池的三種常見冷卻方案

選購電動車的朋友都聽說三元鋰電池的大名，諸如的比亞迪、特斯拉、蔚來等企業都采用了這種電池。所以接下來我們主要就三元鋰電池的冷卻方案做下介紹。

劃分下來，三元鋰電池強制冷卻措施有三種類型：風冷、間接冷卻和直接冷卻。

1）風冷方案

風冷結構簡單、安全，維護方便，成本也較低，是目前電池模組采用最多的散熱方式。這其中以強制對流冷卻方式居多，簡單說是利用鼓風機，將空氣通過空調制冷系統的蒸發器轉變為冷風，同過設定的管道去吹電池，給電池降溫。

像豐田普銳斯、卡羅拉雙擎、雷凌雙擎就是采用的風冷式冷卻系統。

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不過風冷因為散熱量有限，通常是使用在散熱需求小的中混車型上。又或者是一些主打性價比、續航里程不太長的純電動車上。比如第一代起亞SoulEV ，這款車在歐洲市場的銷量就很好，同樣是采用了風冷系統。

2）間接冷卻方案「AstonCar雅斯頓」電動車電池溫控方式內有玄機安全高效少不了它

我們知道動力電池并不是每一處的發熱溫度是一樣的，拿特斯拉ModelS來說，它的電池包由7000多個18650型電池組成，換言之就是7000多個發熱體。這些電池就好比人體的器官溫度，很難實現每一處溫度一致。

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Model3因為采用了性能更強的2170型電池，電池單體數量減少，更有利于溫度一致性控制，這也是Model3進化的一個原因。

和人一樣，我們希望動力電池各處的溫差不要相差太大，不然動力電池就會感冒發燒了。我們拿奧迪e-tron來說，要求是整個電池包液冷系統溫差控制在5℃以內，電芯間的溫差控制在5℃以內，電芯本體的溫差控制在10℃以內，這個要求是行業內比較有代表性的高標準。

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風冷模式下，因為空氣與電池表面熱交換系數低，加之空氣在流動過程中會不斷被加熱，很難保證電池模組內單體電池之間的溫度一致。特別是串行通風時，流動的空氣會不斷地被加熱，所以右側的冷卻效果會差一些。

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當然也不是說風冷的均勻性就一定很差了，像設計風道（比如采用并行通風）、提升冷卻板的接觸導熱能力等，也都是可以改善一致性問題的，只不過水冷的效果更直接有效。因為相比于風冷，制冷液的導熱率高，可以使電池快速降溫，更有利于保持單體電池之間溫度的一致性。

我們還是拿特斯拉來說，下圖（藍色線條）是ModelS的冷卻系統回路。

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TESLA的液冷采用串行流道，冷板安裝于電池間隙。

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拆卸下來就是下圖這種結構。

雖然這種設計的缺點是蛇形冷板會增加液冷系統的壓力損失，并且如上文提到的還存在串聯系統的弊端，但因為ModelS的圓柱型電池單體多，采用這種方式才能更好確保電池溫度的一致性。這也正好反向證明了，在條件相當的情況下，液冷模式是更好的溫控辦法。

正因此，我們發現第三代起亞SoulEV就更改為了液冷系統。這款車原本計劃在2019年登陸其他市場，但日產起亞推遲了這一計劃，原因是在歐洲實在太好賣，導致零部件供應商供不上來動力電池配件。

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無獨有偶，本田2018款ClarityPHEV車型的電池組也是換裝的液冷系統，本田此前的混合動力車以及插電式混合動力車的電池組采用都是風冷系統。

3）直接冷卻方案

如果要再苛求下去，能發現制冷液因為黏度大的原因，限制了流動的速度，導致換熱效果也不能說最好。

直接冷卻方案的出現，正是為了進一步提升換熱效果。

要說直冷和液冷最大不同點，那就是它使用了相變材料替代冷卻液。相變材料在物相發生轉變時將吸收或釋放大量的潛熱，其冷卻效率比制液冷高出3~4倍，并且避免了乙二醇溶液在電池箱體內部流動帶來的泄漏等一系列問題。

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關于水冷板，有一個“內部腐蝕性試驗” ，說的就是冷卻液在管內流動時會腐蝕、沖刷內壁，導致內壁變薄，當加壓時，有泄漏的風險。

不過這種系統因為核心部件電池蒸發器的均溫設計非常困難，而且控制邏輯要更復雜，現在被采用的還不多見。不過像寶馬i3還是克服了困難，借著是小電池包的客觀優勢（蒸發器比較小，容易控制），以及控制精度很高的電子膨脹閥，成功實現了直冷模式。

寶馬i3是利用制冷劑（R134a）蒸發潛熱。

雅斯頓小結

從以上介紹，我們知道了動力電池溫控技術的重要性。可以說，電動汽車電池溫控方式真是內有玄機，安全和高效都少不了它。本期我們重點介紹的是行業內普遍使用的幾套冷卻系統基本模式，能發現在接下來一段時間內，水冷模式會是熱門。現階段看，這種模式是降溫效果比較好，而且成本相對居中的方案。

當然，我們也不能一棒子打死傳統的風冷模式，對于低成本車型和混動車型來說，風冷依然會是首選方案。只不過在消費者越來越苛求使用體驗下，廠家們好好要考慮下未來了。

圖|來源于網絡「AstonCar雅斯頓」電動車電池溫控方式內有玄機安全高效少不了它

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