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新能源汽車動力電池冷媒制冷技術設計要點解析及案例分析

2018-09-14 15:07:54 次瀏覽

電池熱管理冷媒直冷技術其實就是利用冷媒介質自身的相變潛熱吸收或釋放系統熱能,從而達到通過能量交換控制電池充放電或加熱過程的溫度。
而冷媒直冷系統一般與整車空調系統相連接,為了保證溫度一致性,在系統啟動的開始,閥開啟到最大,兩相制冷劑以最快的速度充滿冷板,這就對冷媒直冷系統中一些關鍵零部件如膨脹閥提出了相當高的要求。
冷媒直冷技術介紹
目前在新能源汽車領域中使用冷媒直冷系統最為典型的案例就是寶馬增程式純電動車型i3,另外目前寶馬的X3、X4、M3、5、6、7全都是冷媒直冷的HEV。其采用了以R134a作制冷劑的直冷方式,這種方式的換熱系數可達到3000-25000 W/(m2*K),且便于和整車空調系統進行集成,冷卻效率高且重量輕,是未來電池熱管理的一種可靠選擇。今天小編就以寶馬增程式純電動車型i3來給大家詳細解析一下冷媒直冷系統的技術特點。
冷媒的技術原理其實很簡單,對于動力電池的系統,把冷媒進入一個蒸發器,然后通過蒸發器帶走熱量。電動汽車使用這類型的熱管理系統無論是在成本還是整車輕量化上都具有較大的優勢,但是為什么現今用得很少?是因為有很多的難點有待解決。下面是冷媒直冷系統連接圖,其實主要結構就是一個雙蒸系統,有一個冷凝器、雙膨脹閥,然后還有一個儲液干燥器。
(冷媒直冷系統連接圖)
冷媒直冷的難點主要包括以下兩大方面
1、均溫性不好做,冷媒直冷相對于單相液冷的溫差是很大的。
2、雙蒸系統的控制,雙并聯蒸發器之間需實現精確控制,系統控制策略難度大。
冷媒直冷技術案例解析
如下圖所示為寶馬i3冷媒直冷系統外部連接圖,電池組內置連接器將包內電子膨脹閥EXV與外部熱泵通過管路連接,管路中通有制冷劑R134a,壓縮機置于電池組后部,冷凝器置于車前端。當電池需進行冷卻時,電池箱內的電子膨脹閥可以獨立啟動以降低電池溫度,若冷卻功率不足以完成冷卻,可同時啟動空調系統內電子膨脹閥以增加冷卻效率。圖中的結構詳情如下:
1-電池系統用膨脹閥;
2-制冷劑通道;
3-壓縮機;
4-高壓電池系統;
5-乘員艙膨脹閥;
6-冷凝器;
7-制冷劑管路。
(寶馬i3冷媒直冷系統外部連接圖)
下圖所示為冷媒直冷系統電子膨脹閥外形示意圖,它只位于高壓電池組箱體內,用于控制冷媒制冷系統的開閉及對應狀態下的冷媒流通量,電子膨脹閥頂部有充氣隔膜,上端2走低壓通道,下端4走高壓通道,零件5是小驅動電機,6是控制端連接器,與電池包內BMS連接,是冷媒制冷系統中的核心零部件。
(冷媒直冷系統電子膨脹閥外形示意圖)
下圖所示為i3電池熱管理系統示意圖,系統運行狀態下,高壓液態冷媒自電子膨脹閥高壓入口進入電池組,一分為二進入制冷劑輸運管路,每根管路再次一分為二進入電池組冷卻口琴管,到末端后制冷劑從冷卻管兩側回到電池組前端,經由制冷劑管路從電子膨脹閥的低壓口流出,完成一次冷卻循環。此套系統中,電池組中間溫度較高,故制冷劑先從中間進入,且管路的設計要求兩側沿程阻力相同以確保冷媒分液的均勻性。
圖中主要結構詳情如下:
1-冷卻口琴管;
2-彈性支撐;
3-集流體;
4-高壓電池單元箱體;
5-制冷劑供液管路;
6-電池系統用膨脹閥;
7-制冷劑出液管路;
8-高壓電池單元加熱接口;
9-制冷劑供液管路B;
10-制冷劑管路溫度傳感器。
(i3電池熱管理系統示意圖)
(制冷劑流向示意圖)
此套冷卻系統在組裝過程中預先被集成在了一起且管路連接多為硬管,在汽車惡劣振動的工況下,這樣做可能對換熱元件表面與模組的接觸和管路的連接可靠性提出了更高的要求。
(本文部分節選 動力電池系統熱安全 電池冷媒直冷技術解析及案例)

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