新能源汽车温控系统设计
陈泽宇 李彬 张兆洋 张浩 贺童
河北农业大学海洋学院 河北省秦皇岛市 066000
摘 要： 新能源汽车在我国逐渐普及，但其稳定性和电池寿命还不尽人意，为了加速新能源汽车的普及，减少不可再生能源的消耗，提高消费者体验。本文设计新能源汽车电池的温控系统，保障新能源汽车动力电池电性能，从而满足新能源汽车在不同工况下安全稳定工作。
关键词：新能源汽车 电池 温控
1 引言
汽车作为现代交通工具，已成为人们日常生活中不可或缺的重要出行方式，面对当前日益严峻的环境污染问题，汽车尾气是污染环境的主要因素之一，为了能够最大化地降低汽车尾气给环境带来的损害，开发与运用新能源汽车是非常迫切的。近几年，国家大力支持新能源汽车项目的开发，能够实现节能、减排、降耗，逐步推动汽车行业向绿方向发展。并且，新能源汽车的先进程度已经逐步成为衡量国家工业发展水
平的重要标志之一。随着当今时代对环境保护以及可持续发展的高度重视，加上国家对新能源汽车购买补贴，新能源汽车在我国已经随处可见。新能源汽车多为电动汽车，动力电池作为纯电动汽车唯一的能量来源，存在低温环境下电能衰减过快，以及长期运行时，电池温度过高的问题。在我国北方，新能源汽车的一大难题是如何克服电动车的低温里程衰减问题，核心问题是电池充放电能力弱。电池的比能量是衡量其性能的基本参数，低温环境下比能量显著下降，是影响电池续航最重要的因素之一。
美国权威机构曾对多款新能源汽车在低温条件下测试。数据显示，当温度下降到约零下6℃时，电动车的平均行驶里程减少了41%。而我国的相关组织也发布了在不同里程下的测试结果，结果表明新能源汽车低温里程衰减的的幅度在30%-50%左右[1]。从这个意义上讲，做好电池设备的防寒是提高用户对于新能源汽车评价的前提。另一方面，新能源汽车长期运行，会使得电池、电动机温度升高过快，温度的急剧升高会影响汽车运行的稳定性、舒适性和安全性，可见有效的给电池和电机冷却也是限制于新能源汽车大规模普及的重要因素之一。
为了能更合理、更高效的缓解和解决上述问题，本文提出一套简便易操作的自动控温系统，建立了车-电池-自动温控系统的简单模型，使电池，电机尽可能的在相对理想的工控下工作。此举可以有效提高新能源汽车的性能属性，利于新能源汽车的普及，为国家节能减排做出贡献。
2 新能源汽车发展现状分析
新能源汽车的以新型能源作为动力，集成自动驾驶系统和汽车动力系统的新技术汽车。新能源汽车包括纯电动汽车、增程电动车、混合动力汽车、燃料电池电动车、氢动力汽车等[2]。
近年来，中国新能源汽车发展势头强劲，产生了以“蔚来”、“小鹏”、“理想”为首
New Energy Vehicle Temperature Control System Design
Chen Zeyu，Li Bin，Zhang Zhaoyang，Zhang Hao，He Tong
Abstract： N ew energy vehicles are gradually popularized in China, but their stability and battery life are not satisfactory. To accelerate the popularization of new energy vehicles, reduce the consumption of non-renewable energy and improve consumer experience, this paper designs a new energy vehicle battery temperature control system to ensure the electrical performance of the new energy vehicle power battery, so as to meet the safe and stable operation of the new energy vehicle under different working conditions.
Key words： n ew energy vehicles, batteries, temperature control
的一大批专注于新能源汽车的厂商，同样也有
“比亚迪”、“吉利”等燃油汽车厂商跟进，
并大量出产新能源汽车。我国政府也大力推动
新能源汽车的普及，无仅仅是在购车方面的补
贴还有对充电桩的免费安装、降低资费等一
系列的优惠政策，都体现了国家对于这项工作
的关注与重视。近日，上海市政府还宣布有关
新能源汽车类博士毕业生可以直接落户上海，
可见我国政府鼓励自主研发电动汽车等新能源
汽车发展。然而，在新能源技术方面，我国和
很多发达国家的起点并不相同。在锂电池等汽
车的核心部件方面，中国虽暂时落后于发达国
家，并已经望其项背。综合我国的科技创新实
力和经济实力以及大力扶持新能源汽车发展的
政策，在未来的几年，我国在这一领域是很可
能赶上并超越发达国家。
3 电动汽车核心问题
电池技术是阻碍电动汽车市场发展的重
要原因之一，电池作为动力提供设备，其性
能直接影响汽车运行的稳定性以及续航里
程，在不理想的工况下工作，会使得电池耗
电大幅度增加，很大程度影响电池的寿命。
以特斯拉为例，特斯拉设计的锂离子电池组
能以相对较小的体积却能实现较大的比能
量，同时保持汽车运行安全性和稳定性，但
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也存在对温度敏感相对弱点。从电池性能角度
看，电池温度过低会导致电池内部分子活动下
降，电池内电解液粘度升高，不易流动，从而
导致充放电性能降低，进而出现电池容量不
稳定和急剧衰减的现象。数据表明，当电池
温度下降至10℃时，电池放电容量为常温下的
93%，然而当温度降至-20℃时，电池放电容
量仅为常温下的43%[3]。从电池寿命角度看，
温度对电池寿命的影响是不可忽视的。低温充
电易发的电池析锂将导致电池循环寿命急速衰减至几十次，高温则很大程度上影响电池的循环寿命。研究发现，温度在23℃时，80%剩余容量的电池日历寿命大约在6238天，然而当温度升高至35℃时，此日历寿命大约为1790天，当温度至55℃时，此日历寿命仅为272天。所以，为了改善这一现状将研究的重点放在设计一套电池管理系统上是非常必要的。
4 现有冷却方式
目前主流的电池散热技术方案可分为3类：空气冷却技术、液体冷却技术和相变材料冷却技术。
4.1 空气冷却技术
利用空气作为介质带走电池产生热量的方式叫作空气冷却技术。空气冷却技术又可以细分为自然冷却和强制对流冷却[4]。自然冷却顾名思义是靠电池直接向空气散热，由于空气比热较低、传热温差小的一些列问题，这类方式冷却较慢。强制对流冷却需要外置风机，传热效果要好于自然冷却，但同时也增加了相应的设备费和电费。
空冷技术优点在于结构简单，不需单独设置制冷系统，维护方便且成本低。缺点在于散热效果和效率均较低，对环境温度要求较高，往往夏天冷却效果不好。为保证散热的要求，设备需要增大与空气的接触面积，导致需要散热设备上往往要加入多个翅片来满足散热需求，这无疑大量增加了电池和电机所占的体积，也增加了耗费；空冷技术对环境要求还很高，需要相对低温的空气，无法适用各种工况，所以空冷技术多应用于设备发热量较小，散热需求不是很大的小型设备上。
4.2 液冷技术
采用液体介质对散热设备降温冷却的技术为液冷技术。相比风冷，液冷技术在散热效果上更具优势，可以根据需要调节冷却系统的供水量，达到不同的冷却需求。故而液
冷具有更好的稳定性，可以迅速带走热量，
实现温度的快速降低，提高电池的效率和寿
命。水是性能非常好的液冷介质，也是广泛
应用生活的液体冷却工质，水具有较大使得
单位工质可以吸收更多热量，还具有无毒、
汽车展廉价易、不怕泄露等诸多优点。此外，水吸收
热量后有相应的升温，这部分水还可以二次利
用，作为民众的生活用水。值得一提的是，水
在0℃以下会凝固，所以在较寒冷的地区或者
冬天必须添加防冻液，防止水管冻裂。
现今国内新能源汽车主要采用水冷的方
式。这是由于水冷技术难度较低，很多厂商已经
实现了大面积的产业化。通过布置在电池壳体周
围的冷却水管路系统，冷却水将电池系统工作时
产生的热量带走，确保电池在合理的工况下运
行，同时保证保证电池的安全性和寿命。
4.3 相变材料冷却技术
相变材料主要通过发生相变吸收潜热来
达到冷却降温的目的。其最大的优点是相变
潜热的吸热能力要远远大于显热的吸热能
力。相变材料的优点是冷却系统简单，降温
快，绝缘性好，可以避免出现漏电的风险安
全可靠性高。并且相变材料密度较大，占地
面积小，非常适用于手机等电子设备的CPU
散热。其缺点是：相变材料冷却的可调节温
度范围小，不能随工况的变化即时调整，对
于不同的工作温度往往需要不同的相面材料
来做适配，但当今相变材料不够完善，可能
不易做到温度与材料的完美适配。
5 纯电动汽车电池管理系统工作原理
新能源汽车电池管理系统工作原理如图1
所示，整个电池管理系统的工作层级由低到
高为：电池监控板——电池系统控制器（PID
调节器）——温控调节系统（执行器），其
中电池监控板负责监控电池组的输出电压和
温度，汽车运行时，当电池组温度与理想工
作环境（设定值）有较大偏差时，电池自动
控制系统自动工作，该系统通过计算设定值
与测定值的偏差e，传输到PID（比例积分微
分）调节器，PID调节器通过计算将利于减小
偏差的指令输送到温控系统即执行机构；温控
调节系统通过调节膨胀阀开度或压缩机转速等
一系列操作，改变出水温度，从而减小温差
值。电池管理系统能确保电池工作在最适宜的
温度区间，保证电池安全稳定的工作，并延长
电池循环寿命，良好适用新能源汽车设计的锂
离子电池组。最终实现给电池升温或降温的结
果，以此来给电池提供一个相对稳定的工作环
境，提高电池能效比、安全性和稳定性。
6 总结概括
该系统为新能源汽车更高效的运行提供
了一个简单的物理模型，从电池最合适的工
况角度出发，给汽车增添了一个简单的电池
自动管理系统，该系统在提高电池寿命、保
障电池工作的安全性和效率。新能源汽车是
缓解世界能源问题的一项重要举措，仅靠电
力驱动，而电能可以来源于取之不尽的太阳
能。所以新能源汽车的良好发展是顺应当时
的时代潮流的，提高其性能，推动其良好的
体验性是有待深刻研究的。
参考文献：
[1]黄敏雄.新能源汽车动力电池防寒防冻性
能检测装置的设计与实现，内燃机与配件，
2021（06）.
[2]吴发乾，钟辉煌.浅谈氢燃料电池电动汽
车用空气滤清器，汽车零部件，2019（12）.
[3]王鹏，王立文等.温度对18650三元锂电
池放电容量的影响，技术与市场，2018（11）.
[4]章佳锋，分光型聚光与聚风一体化发电的
关键技术研究，2013（1）.
图1 电池管理系统自动调节示意图
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