基于N2制冷循环的新能源汽车智能冷却系统研究

陈芳兰 陈一帆 龙泽链 黄薪谋 陈文平

文章通过分析新能源汽车高压电池及其管理系统、电机及其控制系统和电子控制单元的材料结构与工作特性，以目前新能源汽车出现的续航里程下降和高压电池自燃事故、高压控制系统温度过高导致敏感元器件失效氧化加速、电机内磁性材料性能下降等存在的问题为主要突破方向，研究采用以N2制冷循环为基础，通过温度控制、惰性气体保护等方法，设计开发一套新能源汽车智能冷却系统。

新能源汽车;智能冷却系统;N2制冷循环

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0 引言

随着市场上新能源汽车数量不断增长，新能源汽车存在的问题也逐渐显现。其中新能源汽车的续航里程下降和高压电池自燃事故、高压控制系统温度过高导致敏感元器件失效、电机内磁性材料性能下降和恶劣环境下的氧化腐蚀等问题较为显著，这些问题对新能源汽车的推广使用带来的主要负面影响，也成为了限制新能源汽车快速发展的主要原因[1-6]。

当前情况下，解决高压电池、电机和电控系统的使用寿命问题、能耗问题、价格及安全等问题的主要办法除了开发高性能材料外，最重要的是开发高性能的冷却系统，保证新能源汽车高压系统工作环境的稳定性和适应性，防止出现因为恶劣的工作环境导致电池组早衰、系统氧化、能耗增大、内阻增大、敏感元器件失效、电机内磁性材料性能下降等问题。因此，要避免高压电池充放电性能下降、电池过热甚至高压电池自燃等现象的发生，当务之急需要设计一款高效安全、廉价易保养、高性能、可应用的新能源汽车高压智能冷却系统。

1 新能源汽车冷却系统

1.1 新能源汽车冷却系统概述

新能源汽车冷却系统是对纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车在内的高压部件温度进行控制的主体系统。

当前新能源汽车冷却系统主要采用风冷、液冷等传统冷却形式对新能源汽车高压系统进行冷却。但由于汽车工作环境情况多变，传统冷却系统存在工作效率低和高压系统不稳定等问题，导致冷却效果不佳。因此，当前学术界对新能源汽车冷却系统的研究主要集中在相变材料和多形式冷却系统的混合使用上，但是受系统质量、材料性能、环境保护性能和价格等各项因素的影响，这些研究都难以在实际应用中推广[5]。

1.2 新能源汽车冷却系统工作特性

新能源汽车冷却系统主要作用于对高压电池及其控制系统、新能源汽车的电子控制系统、电机及其控制系统等部件的温度控制[7-10]。其主要功能有：

（1）对高压电池的温度控制。电池系统是影响新能源汽车市场接受度的核心，温度过高或者过低都会极大地影响电池系统的循环使用寿命。通常新能源汽车高压电池最佳温度在15 ℃左右，温度过低会导致电池充放电性能骤降，温度过高则有可能导致电池系统出现自燃等风险，尤其是夏季，新能源汽车一旦发生自燃基本无法扑救，这会造成较大的经济损失和社会负面影响。而新能源汽车冷却系统可以有效保护电池的使用并延长其寿命。

（2）对电子控制系统的温度控制。新能源汽车电子控制系统主要功能在于能量转换的控制和各器件的传感器控制等，高发热部件的工作温度通常在40 ℃～85 ℃之间。为了防止温度过高导致电子元器件失效和电流通过时加速氧化等问题出现，冷却系统就起到了至关重要的作用。

（3）对电机及其控制系统的温度控制。电机及其控制系统在运转的过程中也会产生较多热量，需要冷却系统通过循环及时带出，防止温度过高引起失磁和电子控制系统内部电子元器件的失效和氧化。

1.3 新能源汽车冷却系统循环特性

新能源汽车冷却系统的循环特性决定了冷却的效果，但当前的新能源汽车冷却系统通常只考虑了常规冷却系统的基本理化特性，如蒸发压力、潜热、临界温度、临界压力、比容积和密度等方面的物理性质和性质稳定性、腐蚀性、污染性、燃烧性能、爆炸性能、温室效应和臭氧保护等方面的化学性能。而实际上新能源汽车冷却系统除了考虑到冷却循环系统的冷却能力、理化性质外，还需要考虑冷却循环系统的温度控制的精确性、高效性、安全性、结构件简便性和安全性等。从温度控制系统的角度来说，新能源汽车冷却系统的关键在于制冷剂的选择[11-12]，这决定了冷却系统的基本循环特性，也是冷却系统性能的主要体现。

2 氮气制冷循环特性

2.1 氮气制冷循环的基本特点

氮气制冷循环是一种常见的制冷循环，通常应用于工业上低温深冷工艺，其工作原理与传统的朗肯制冷循环一样，均是通过压缩液化、冷却、膨胀汽化吸热的过程达到制冷的目的。为了研究N2作为制冷剂的特性，我们对比了一种经典的制冷剂R22的理化性能，如表1所示。

由表1可知，N2制冷剂和R22制冷剂的压缩性能相近，临界压力N2制冷剂比R22制冷剂小，同时N2制冷剂为氮气，属于对环境、臭氧层等完全无害的廉价气体。因此，新能源汽车温度控制系统基于N2制冷循环相对于传统制冷循环主要有以下优点：环保性能好、安全性能好、价格低廉、可用性强。此外氮气还具有能对汽车冷却系统元器件进行保护等优点[13]。

2.2 氮气对高压电池的保护性能

当前新能源汽车高压电池主要以锂离子电池为主，而锂离子电池普遍采用易燃的有机溶液作为电解液、石墨负极和金属锂离子等，在使用不当、老化等情况下容易发生燃烧、冒烟和爆炸等危险。为此，郭君等[1]针对热失控下环境体系对锂离子电池火灾危险性的影響进行研究，发现氮气对于锂离子电池热失控具有一定的保护作用。氮气环境在延长电池燃爆响应时间、提高电池耐热极限和降低火灾扩展危险性等方面有着明显的作用。

因此，采用惰性气体氮气作为制冷剂，对于锂离子电池的保护主要体现在以下三个方面：（1）实现温度保护，防止电池工作过程中出现热聚集、热失控等危险;（2）当电池模块内部发生热失控时，中高压氮气可进行喷射降温甚至灭火，防止发生自燃的危险;（3）通过氮气制冷还形成高氮气的环境，在减少氧气的同时还能有效减缓高温下通电状态的电子元器件的氧化过程，有利于系统部件的保护。

3 基于氮气制冷循环的新能源汽车智能冷却系统的设计

3.1 设计的基本思路

通过对新能源汽车动力电池、电机和高压控制系统等的工作时热负荷特点、工作特性和基本材料结构特性的研究，基于冷却的基本原理和设计方法，采用压缩性能好的廉价惰性气体N2为制冷剂、隔断剂和保护剂设计出的新能源汽车高压部件冷却系统应满足以下条件：当汽车在工作环境温度为-30 ℃～45 ℃之间时，控制电池组模块温度≤45 ℃、各模块温度之间温度差≤5 ℃，电池组温度从-30 ℃加热到2 ℃的时间≤30 min。电池模块温度>200 ℃时电子温控阀打开，冷却器与电子控制系统之间的电子温控阀打开，N2制冷剂进入电池模块内部进行强制冷却与隔离，同时有效控制电机和电控系统温度。

3.2 系统基本结构

根据电池系统和电子控制系统等的工作特性、冷却系统的原理设计出的新能源汽车高压部件冷却系统的基本结构如图1所示。

该系统主要结构包括：压缩机、冷却器、膨胀阀、冷却环路、静压箱、控制模块、智能温度传感器、散热片、智能电子温度控制阀等。基本运行结构为：压缩机的一端连接冷却器的一端;冷却器的另一端连接膨胀阀的一端;膨胀阀的另一端连接静压箱的一端，静压箱的另一端连接冷却环路的前端;冷却环路的末端连接压缩机;设置于静压箱;冷却环路具有散热片和电子温度控制阀;冷却环路安装于电池包，并与电池组并行设置;温度传感器设置于电池组;压缩机、静压箱、电子温度控制阀、温度传感器分别与控制模块连接。

该系统中最主要的部件在于电池组模块智能冷却结构，其主要载体是高压电池冷却环管，冷却环管布置于高压电池模块四周：环路中安装有智能温度控制阀，用于高温下的安全防护，环路上安装柔性散热叶片用于加强冷热传递。

3.3 智能冷却系统基本工作原理

该系统以廉价的惰性气体N2为制冷剂及保护和隔断气体，在环境温度较高的情况下，压缩机向冷却器输送中高压N2气体为冷媒，冷媒经冷却器输送出降温后的冷媒，降温后的冷媒经膨胀阀输送出降压后的低温冷媒，并经膨胀阀输送至静压箱，静压箱对冷媒储存和稳压后输入电池、电机和电子控制系统进行冷却;当环境温度较低时，则由PTC加热器为系统温度控制媒介N2进行加热为热媒，同时收集电机和电子控制系统的余热，经过管路与静压箱用于加热电池模块。

在电池组模块和电机、电子控制系统内部安装温度传感器。温度传感器探测电池组温度，并向控制模块发送信号，控制模块在根据信号控制静压箱向冷却环路输送冷媒或热媒的同时，启动压缩机或者PTC加热器，系统环路通入冷媒后对电池组冷却降温或升温，再输送回压缩机或者PTC加热器。

此外，该系统采用电控变流量气泵进行制冷剂的流动。所述电控变流量气泵的一端连接静压箱，其另一端连接冷却环路，电控变流量气泵分别与温度传感器、控制模块电连接，提高控制精度[13]。

3.4 系统智能化的工作方式

3.4.1 智能化的冷却过程

智能温度传感器探测电池组的温度，当探测到电池组的温度>40 ℃时，向控制模块发出控制信号，控制模块根据该控制信号向静压箱发出控制指令信号，静压箱即刻向冷却环路输送氮气，冷却环路通入氮气后对电池组冷却降温，而冷却环路上的散热片辅助对电池包进行冷却降温。

3.4.2 智能控制压缩机工作

智能温度传感器探测电池组的温度，当探测到电池组的温度<40 ℃时，向控制模块发出控制信号，控制模块根据该控制信号向静压箱发出控制指令信号，静压箱即刻停止向冷却环路输送氮气，同时压缩机停止工作。

3.4.3 智能控制高温

智能温度传感器探测系统内的温度，当探测到电池组、电子控制系统内的温度>200 ℃时，向控制模块发出控制信号，控制模块根据该控制信号向温度失衡模块内环管上安装的电子温度控制阀发送控制指令信号，冷却环路上的电子温度控制阀即刻向电池组喷射氮气，对电池包或者电子控制系统内起到紧急降温的作用防止电池组自燃，同时向车载网络系统发出报警信号。如果电池组已经发生自燃，则起到灭火、隔断燃烧物质的作用，冷却环路内高压储气罐向系统内补充氮气，连续循环向电池包输送氮气。

3.4.4 智能化电池组加热

当探测到电池组温度<2 ℃时，智能温度传感器将探测电池组的温度向控制模块发出控制信号，控制模块根据该控制信號关闭压缩机方向的电子控制阀，打开电机和电子控制单元的电子控制阀，将氮气经过电子控制单元和电机冷却器加热后通入静压箱，然后通过静压箱通入电池系统实现电池系统的温度提升后流回PTC加热器[13]。

4 结语

本研究小组经过研究，分析了现有的新能源汽车制冷系统存在的不足，以智能化冷却系统设计为出发点，以N2制冷循环为基础，通过温度控制、惰性气体保护为基本原理，初步开发出一套新能源汽车智能冷却系统[13]。该系统具有温度控制精确、安全性能高、造价低廉等优点，有利于市场的推广使用。

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