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新能源汽车动力电池冷媒制冷技术设计要点解析及案例分析

2018-09-14 15:07:54 次浏览

电池热管理冷媒直冷技术其实就是利用冷媒介质自身的相变潜热吸收或释放系统热能,从而达到通过能量交换控制电池充放电或加热过程的温度。
而冷媒直冷系统一般与整车空调系统相连接,为了保证温度一致性,在系统启动的开始,阀开启到最大,两相制冷剂以最快的速度充满冷板,这就对冷媒直冷系统中一些关键零部件如膨胀阀提出了相当高的要求。
冷媒直冷技术介绍
目前在新能源汽车领域中使用冷媒直冷系统最为典型的案例就是宝马增程式纯电动车型i3,另外目前宝马的X3、X4、M3、5、6、7全都是冷媒直冷的HEV。其采用了以R134a作制冷剂的直冷方式,这种方式的换热系数可达到3000-25000 W/(m2*K),且便于和整车空调系统进行集成,冷却效率高且重量轻,是未来电池热管理的一种可靠选择。今天小编就以宝马增程式纯电动车型i3来给大家详细解析一下冷媒直冷系统的技术特点。
冷媒的技术原理其实很简单,对于动力电池的系统,把冷媒进入一个蒸发器,然后通过蒸发器带走热量。电动汽车使用这类型的热管理系统无论是在成本还是整车轻量化上都具有较大的优势,但是为什么现今用得很少?是因为有很多的难点有待解决。下面是冷媒直冷系统连接图,其实主要结构就是一个双蒸系统,有一个冷凝器、双膨胀阀,然后还有一个储液干燥器。
(冷媒直冷系统连接图)
冷媒直冷的难点主要包括以下两大方面
1、均温性不好做,冷媒直冷相对于单相液冷的温差是很大的。
2、双蒸系统的控制,双并联蒸发器之间需实现精确控制,系统控制策略难度大。
冷媒直冷技术案例解析
如下图所示为宝马i3冷媒直冷系统外部连接图,电池组内置连接器将包内电子膨胀阀EXV与外部热泵通过管路连接,管路中通有制冷剂R134a,压缩机置于电池组后部,冷凝器置于车前端。当电池需进行冷却时,电池箱内的电子膨胀阀可以独立启动以降低电池温度,若冷却功率不足以完成冷却,可同时启动空调系统内电子膨胀阀以增加冷却效率。图中的结构详情如下:
1-电池系统用膨胀阀;
2-制冷剂通道;
3-压缩机;
4-高压电池系统;
5-乘员舱膨胀阀;
6-冷凝器;
7-制冷剂管路。
(宝马i3冷媒直冷系统外部连接图)
下图所示为冷媒直冷系统电子膨胀阀外形示意图,它只位于高压电池组箱体内,用于控制冷媒制冷系统的开闭及对应状态下的冷媒流通量,电子膨胀阀顶部有充气隔膜,上端2走低压通道,下端4走高压通道,零件5是小驱动电机,6是控制端连接器,与电池包内BMS连接,是冷媒制冷系统中的核心零部件。
(冷媒直冷系统电子膨胀阀外形示意图)
下图所示为i3电池热管理系统示意图,系统运行状态下,高压液态冷媒自电子膨胀阀高压入口进入电池组,一分为二进入制冷剂输运管路,每根管路再次一分为二进入电池组冷却口琴管,到末端后制冷剂从冷却管两侧回到电池组前端,经由制冷剂管路从电子膨胀阀的低压口流出,完成一次冷却循环。此套系统中,电池组中间温度较高,故制冷剂先从中间进入,且管路的设计要求两侧沿程阻力相同以确保冷媒分液的均匀性。
图中主要结构详情如下:
1-冷却口琴管;
2-弹性支撑;
3-集流体;
4-高压电池单元箱体;
5-制冷剂供液管路;
6-电池系统用膨胀阀;
7-制冷剂出液管路;
8-高压电池单元加热接口;
9-制冷剂供液管路B;
10-制冷剂管路温度传感器。
(i3电池热管理系统示意图)
(制冷剂流向示意图)
此套冷却系统在组装过程中预先被集成在了一起且管路连接多为硬管,在汽车恶劣振动的工况下,这样做可能对换热元件表面与模组的接触和管路的连接可靠性提出了更高的要求。
(本文部分节选 动力电池系统热安全 电池冷媒直冷技术解析及案例)

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