新能源汽车电池热管理技术

一、技术创新方面 

（一）项目背景

1、国家战略需要

2017年3月1日，工信部、发改委、科技部、财政部四部委发布《促进汽车动力电池发展行动方案》，明确提出，2020年，动力电池系统的能量密度要大于260wh/kg，成本要小于1元/Wh，使用环境达到-30~55℃，充电倍率达到3C。

2、行业及自身发展需要

    锂离子电池的自身的温度保持在20~30℃范围内最佳，因此高效率成为电池热管理系统的发展趋势。按照效率来分，电池热管理方案大体分为自然冷却、强制风冷、液冷技术及冷媒直冷技术，其中自然冷却设计最简单，直冷技术方案设计最复杂、成本最高，目前在市场上并无成熟使用的案例。

同时，截止2016年底，江淮纯电动轿车累计产销3.6万辆，基本采用风冷系统，存在冷却效率较低、系统温差较大、动力电池的使用工况及使用寿命受到限制、空间利用率较低，车辆里程受到一定限值等缺点；在此情况下，为响应公司对新能源汽车”再造竞争优势”的指示，落实江淮“有技术”方针，提高顾客满意度，迫切需要液冷系统技术储备，开发液冷动力电池。

（二）项目目标和举措

1、项目目标

液冷技术是电池热管理系统的发展趋势，国外Tesla、BMW i3、通用Volt等车型电池包已采用电池液冷技术，运行稳定、可靠。国内车企均在开发，但批量应用较少，在此情况下，我司拟开展液冷动力电池研发项目，实现以下目标：

（1）液冷电池模块达成各种失效模式下热失控被动安全；单体热失稳不会引起模组及电池包热失控。

（2）热管理性能相对风冷系统大幅提升，在极端放电工况、高温快充、高温慢充、低温加热在方面设定提升目标：

（3）完成整车空调与电池热管理系统性能匹配与标定。

（4）液冷系统数模冻结，具备下发开模通知函条件。

（5）完成关键部件量产可行性评估及供应商选点。

2、项目措施

针对既定的开发目标，依据NAM流程，确立了提出热管理系统设计概念方案发布-设计方案发布，A样结构状态和初始控制方案发布-热管理控制策略和性能验证试验大纲发布-热管理性能等确认-SOP的开发流程：

热管理系统设计概念方案发布：根据系统仿真分析及理论计算，充分对标标杆车型，完成热管理系统概念方案设计，同时完成热管理部件的选型；

A样结构状态和初始控制方案发布：依托iEV7S整车空间架构，布置各热管理部件的空间位置；依据动力电池内部结构，布置模组及液冷管路。根据动力电池的使用工况和性能及温度需求发布初始控制方案；

热管理控制策略和性能验证试验大纲发布：根据整车试验工况和前期开发积累的试验经验，学习德国大众相关车型的验证方式，发布性能验证试验大纲及热管理控制策略。

热管理性能等确认：依据前期发布的试验大纲，进行充分的试验验证及参数标定，直至确认各项性能满足设计需求。

SOP:完成各项性能确认；各项技术文件如：技术协议、三维数模、二维图纸、数据确认函、开模通知函、EV试验报告等冻结下发，完成SOP。

（三）技术优势及新技术运用效果

1、技术优势

相比于上一代的风冷热管理方式，虽然其技术复杂度与开发难度均有所提升，但是达成效果显著，系统换热效率大幅提升。换热效率地提升能够确保电池组的工作温度区间由之前的0~55℃缩短到10~35℃，温差由17℃缩小到5℃；有效地控制温差、抑制温升,对电池组的安全、寿命、充电性能都有极大程度地改善。与此同时，液冷系统与风冷系统相比，在电池包所占的体积更小，电池单体空间利用率更高，能够实现电池组能量由29kwh提升至40kwh。

液冷技术的具有三大核心优势：

第一，液冷电池组能够确保100%的热失控安全性，电池单体内短路不会造成电池组起火，保障人车安全。

第二，电池工作在更适宜的温度区间，电池组的寿命能够提升6%，高低温充电时间缩短1h。

第三，液冷电池的体积比能量密度更高，整车续驶里程能够突破260Km。

2、技术实施效果

（1）安全性

通过优化液冷方案模组，涂覆集流板绝缘漆、添加保险丝、增强模组端板及正极绝热垫片等措施，确保各种失效模式下热失控被动安全；开发电池安全故障诊断策略，及时有效的识别和化解潜在安全失效风险，避免电池失火。开展100次模组热失控安全试验，全部通过。液冷电池模块达成各种失效模式下热失控被动安全，单体热失稳不会引起模组及电池包热失控。

（2）热性能

热管理性能相对风冷系统大幅提升，100%达成设计目标，表现在以下方面：

1）极端放电工况

目标：最高车速130km/h，环境温度40℃，电池包起始温度35±2℃，整车满电放电至保护，电池包最高温度由风冷65℃降低至45℃以内，温差由10℃降低至5℃。

实际：最高车速130km/h，环境温度40℃，电池包起始温度35℃，整车满电放电至SOC4%，电池包最高温度降低至45℃，温差5℃。

2）高温快充工况

目标：环境温度为35±2℃，电池包最高温度45℃，充电结束电池最高温度控制在35℃以内，温差控制在5℃以内，由于热管理需求导致空调开启时间由原来的4小时缩短至1小时。

实际：环境温度为36℃，电池包温度40~42℃，充电结束电池最高温度30℃，温差0℃，空调开启时间1小时。

3）高温慢充工况

目标：环境温度为35±2℃，电池包最高温度45℃，充电结束电池最高温度控制在35℃以内，温差控制在5℃以内，由于热管理需求导致空调开启时间由原来的4小时缩短至30分钟。

实际：环境温度为35℃，电池包温度40~42℃，充电结束电池最高温度30℃，温差2℃，空调开启时间21min。

4）低温加热工况

目标：环境温度为-10℃，电池包温度为-8±2℃，加热速率由风冷系统15min温升1℃提升至15min温升7℃，温差由17℃降低至5℃。

实际：环境温度为-15℃，电池包温度为-10℃，加热速率为10min温升7℃，温差5℃。

（3）空调系统匹配

完成整车空调与电池热管理系统性能匹配与标定：车速最高车速130km/h，环境温度40℃，电池包起始温度35±2℃，整车满电放电至保护，电池包最高温度控制在45℃以内，温差5℃，乘员舱制冷满足Q/JQ8101.11,出风口平均温度≤15℃。

（4）NVH性能

水泵按照最大占空比开启，运转噪音值测试值＜39dB(A）。

（5）气密性

完成电池包内部冷却管路总成设计开发，针对液冷管21根，快插接头46个，泄露风险大的风险。通过识别液冷管焊接质量、表面粗糙度等影响要素，实施快插插头选型、侧拉力测试和精度控制攻关，制定零部件进出厂测试标准；确认系统气密性检测标准为2.5bar，泄漏量0.5ml/min。

（6）数据冻结

通过电池包试制及整车装配验证，完成膨胀水壶、电池冷却器、水加热器、外部管路总成、模组总成、壳体总成、液冷管总成及快插管路8个部件数据冻结，具备下发开模通知函条件。

（7）量产可行性确认

完成电池冷却器、水加热器、模组总成、壳体总成、液冷管总成及快插管路6个主要部件量产可行性评估及供应商选点。

历经概念方案-加热器更换及进出口位置调整-电池冷却器更换-水泵位置调整-膨胀水壶设计优化，超过多达20多次的优化，确认液冷系统结构设计方案；通过2套电池包及4辆整车验证，完成各部件装配、总成装配等工艺验证，确认工艺可行；通过重点开展9项30多次专项试验验证，确定系统及部件性能满足设计需求；通过在试验开发过程中逐步优化控制策略和标定参数阀值，策略及软件已发布；通过5轮CFD仿真分析，有效的指导了结构开发的正常进行，并对试验验证结果进行确认；通过温度分布试验及开展热管理性能试验，已确认高低温冷却性能符合设计要求。

形成交付物89份，撰写科技论文八篇：《动力轿车电池包液冷系统设计》（CN61-1394/TH 汽车实用技术）；《一种电动汽车电池组箱体轻量化设计》（CN61-1394/TH 汽车实用技术）等；申请专利十三项：其中一种电动汽车动力电池液冷加热装置、一种电动汽车动力电池液冷板、一种液冷电池包装置、一种液冷电池模块结构设计、一种电池组防撞梁设计等已获受理授权，其它项正在审核中。