电动汽车热管理系统和性能

摘  要

在内燃机车辆中，热管理系统确保动力传动系（发动机）、后处理（排气系统）和空调调节系统的性能，在电动车和混合动力电动汽车中同样重要，它还与安全和消除里程焦虑相关。热管理系统(TMS )= 电池冷却（BCS）+ 牵引冷却系统(TCS)+空调调节系统（HVAC）,在任何电动汽车中都成为一个三环路系统，其中BTMS/BCS对维持锂离子电池组的性能和安全可靠性起着重要作用。另一方面，牵引冷却系统有助于保持电动车辆电子部件的理想工作温度，以确保适当的性能和理想的寿命。本文主要概述动力总成热管理系统的概念、配置、车载电脑与电动车辆性能(续驶里程、充电状态、寿命)、安全、可靠性参数的相关性和验证要求。

1  热管理系统对于电动汽车及混合动力汽车的意义

三回路热管理系统是提高电动汽车性能、可靠性和安全性的有效途径，电池的性能、寿命和成本直接影响汽车的性能、寿命和成本。在通过再生制动机制进行能量回收的过程中，电池温度会影响放电功率的可用性、能量和充电接受度，这些都会影响车辆的燃油经济性和驾驶性能。此外，温度会影响电池的寿命，对于不同种类的电池所需的工作温度范围是不同的。通常，电池工作的最佳温度范围比车辆所需的工作温度范围窄得多。例如，锂离子电池的期望工作温度在25℃到35℃之间，而车辆运行的温度范围可以是-30℃到60℃。考虑电池组中的温度分布不均，组件间的温度变化使得每个组件的充电或放电行为不同，这可能会导致模块电气不平衡，降低组件性能。

一个设计良好的电池热管理系统需要将电池组温度保持在所需的工作范围内来均匀地调节电池组温度。电动汽车和混合动力汽车需要一个有效的BTMS，使他们能够在炎热和寒冷的气候下运行。任何锂离子电池模块的适当热设计都对电池组的整体热管理及其行为产生积极影响。锂离子电池广泛应用于电动汽车中，在任何电动汽车中，电池组占车辆成本的46%，但其性能和寿命对温度非常敏感，因此保持电池的适当温度范围变得至关重要。此外，热跑道、冷却系统泄漏等可能会影响续航里程、寿命和安全性。

2  热管理系统在电动汽车中的复杂性

电池热管理系统在消除锂离子电池的热影响方面发挥了至关重要的作用，它提高了整个电池包的温度均匀性，延长电池寿命，并提高电池包的安全性。对于电动汽车来说，设计一个好的热管理系统的挑战是多尺度的。电动汽车中的锂离子电池和其他高压部件所需的工作温度范围(工作区)比常规内燃机车以及室温环境工作温度范围都要窄。此外，还需要考虑乘客舒适性，其中所需的舒适温度范围也很小。环境温度和空调调节系统对电动汽车行驶里程的影响如图1所示。



3  电池/电动汽车与热管理系统的联系

电动汽车电池组一般通过并联和串联的方式结合多个电化学电池，通过几个接口与外部环境交互，如图2所示。



机械——代表集成到电池组中的所有机械设计特征，例如阻尼垫、电池垫片、减压阀或排气阀、密封件、垫圈。

结构——包含一个箱子和一个盖子，以防止环境因素的影响，如湿度，灰尘等。此外，通过适当的振动隔离和高抗撞性来保护电池组。

热量——为了最大化能量容量，需要将锂离子电池的温度控制在25℃至35℃之间，并保持电池组的热量分布均匀，因此，电池组需要一个有效的热管理系统。

电动——为了满足电动汽车行驶循环的动力需求，电池组在一定电压下产生电流。这种动力通过由母线、电缆、保险丝、断路器、继电器和接触器组成的电路传递给电动汽车传动系统。

控制系统——用于使用测量电流、电压、温度、压力和湿度的传感器来监控电池组的状态。

支撑——是电池组与底盘及车身的安装方案，以实现所需的隔振程度，并具有可靠的操作和耐碰撞性。

图3更直观的描述了热管理系统和电动汽车动力系统之间的联系。



4  热管理系统-性能及最佳结果

电动车组的热管理系统由三个回路组成，分别是传统的空调调节系统、电池热管理系统和牵引冷却系统。锂离子电池组的电池热管理系统(BTMS)对保持电池的储能容量、续航里程、电池寿命和系统安全至关重要。当电池处于高速率充电(如快速充电或再生断电)和放电(如插电式混合动力车、高性能车辆)时，以及车辆在非常高或很低的环境温度下运行时，BTMS尤为重要。另一方面，牵引冷却系统(TCS)有助于保持牵引电机、逆变器、变频器和DC-DC的温度，以确保这些高压传动系统部件的正常工作。电池热管理系统的属性如下：

a——提供最佳的平均温度确保寿命和性能；

b——在不同运行工况下，为电池组提供最佳温度；

c——热管理系统必须是紧凑、防泄漏、可靠的及易于包装；

d——该系统可以使用单液(空气或冷却液)或组合来维持电池芯的温度；

e——该系统可以有效地保持电池所需的工作温度，无论环境条件(热、冷或潮湿)。

f——该系统必须在低寄生功率下运行，运行在广泛的气候条件下，并提供通风。

为了确保牵引传动系统和高压组件的预期性能和寿命，牵引冷却系统的属性如下。

a——在不同的运行工况和环境条件下，保持牵引电子传动系统(电机和逆变器)的温度在所需的温度范围内。

b——提供最佳的工作温度给DC-DC确保适当的功能，性能和寿命

c——在不考虑车辆的运行状况下为牵引传动系统和高压部件提供最佳的温度

d——该系统必须紧凑、可靠、防泄漏、易于包装和使用单一流体操作。

纯电动汽车的典型热管理系统(TMS)布局如图4所示。



5  测试和验证要求

这一部分主要是关于验证和认证的关键测试要求，进一步细分为不同的类别——如性能、功能、安全、监管等。电池组是纯电动汽车的储能装置，其安全性、可靠性(寿命)是一个不可预测和未经证实的研究领域。为了更好地理解，所有主要针对电池组的测试、验证要求都以图形和表格的形式进行表示，包括范围(性能)、安全性、可靠性和热管理系统。表1代表了关键的BTMS和TCS环境测量参数，以确保电池组和电动汽车在理想的温度范围下运行，并安全提高性能和寿命。



结  论

电动汽车及混合动力汽车的热管理在任何气候条件下有效运行至关重要。另一方面，牵引系统[TCS-传动系统(电机、逆变器)和高压组件]的热管理对于不同的操作和环境条件下保持性能也很重要。本文概述了电动汽车三回路热管理系统，讨论了锂离子电池、车载电脑与热管理系统的之间的联系并得出以下结论。

a——锂离子电池组对温度非常敏感，设计良好的电池热管理系统(BTMS)对电动汽车至关重要。这将有助于均匀控制和保持电池组温度，增强能量储存，延长寿命，增加行驶里程。

b——压缩机转速、鼓风机转速、冷水机组开关、VCU和BMS逻辑连接在电池冷却系统、量程、机舱冷却系统和驾驶室NVH的功能中都起着关键作用。

c——牵引冷却系统(TCS)对电动汽车的灵敏度相对较低，其工作温度波段不像锂离子电池组那样窄。该系统通过适当的热管理提供稳定性，以获得预期的性能和功能。

d——锂离子电池的工作温度最好保持在25 ~ 35℃，温差不大于于5℃。

总体而言，由BTMS、BCS、TCS和HVAC组成的热管理系统(TMS)是紧密相连的，这对于确保锂离子电池电动汽车的性能(特别是行驶里程)、功能、寿命和安全性至关重要。

参考文献：Biswas, S., Thermal ManagementSystem and Performance Characteristics of Electric Vehicle, in SAE Technical Paper Series. 2020.