动力电池热管理系统及其设计流程介绍

化设计［Ｊ］．振动与冲击，２００８，２７（３）：１１３一１１６． ［７］ 王力，田晟，喻惠然．基于Ｏｐｔｉｓｔｒｕｃｔ的整车试验台架结
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｇｅｒｍａｎｙ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００３．
Ｋｏｄｉｖａｌａｍ Ｓ，Ｙａｎｇ Ｒ Ｊ．Ｍｕｈｉｄｉｓｐｌｉｎａｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａ－
・１０・
上海汽车２０１４．０６
万方数据
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｔｈｅｒｍａｌ ｔｈｅｒｍａｌ
ｍａｎ－
ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｓｉｚｉｎｇ ａｎｄ
ｔｈｅｒｍａｌ
ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
２．５直接空气冷却系统 直接空气冷却系统的原理图如图９所示。此 系统利用驾驶舱的低温空气对电池进行冷却。 直接空气冷却系统具有系统简单、空气温度 可控以及成本低等优点。但是此系统并不是对所 有类型的电芯都适合，浸湿后回复慢且电池内部 会有污染的风险。
隐
以及工业应用范围广等优点。但是此系统零部件
比直冷多、系统复杂、燃料经济性差且压缩机负荷 高。此类型的冷却系统是目前最常用的电池热管 理系统之一。
・２３℃８０％ＳＯＣ．Ｘｃｅｌ］ｌｌ ・３５℃８０％ＳＯＣ－Ｘｃｅｌ］Ⅶ
．４５℃８０％ＳＯＣ—Ｘｃｅｌ］Ｉｌ
２
热管理系统及零部件类型介绍
不同的整车环境，不同的电池包类型，使用的
・２３。Ｃ
・５５℃８０％ＳＯＣ．Ｘｃｅｌｌ¨ ８０％ＳｏＣ—Ｘｃｅｌ］Ⅶ
一３５℃８０％ＳＯＣ．．，Ｖｃｅｌ］Ⅷ ｌ一４５。Ｃ ８０％ＳＯＣ—Ｘｃｅｌ］ｑ
的性能和寿命有至关重要的作用。
动力电池热管理系统介绍
寿命。因此，研究电池的散热问题，对保持电池组
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参考文献
［１］
收稿１３期：２０１４—０４—１６
上海汽车２０１４．０６
・７・
万方数据
２所示
从表１、图３可以看出，温度对电池的Ｅｌ历寿 命有很大的影响。同样的电ｊ笆：，在环境温度２３℃，
６
２３８天后电池的剩余容量为８０％，但是电池在
５５℃的环境下，２７２天后电池的剩余容量已经达 到８０％。温度升高３２ ｃＣ，电芯的日历寿命下降了
［１］谭晓军．电动汽车动力电池管理系统设计［Ｍ］．广州： 中山大学出版社，２０１１． ［２］ 社，２０１３． 陈世全．先进电动汽车技术［Ｍ］．北京：化学工业出版
６
结语
电池的温度直接影响了电池的安全性，因此
电池的热管理系统设计研究是电池系统设计中最
关键的工作之一。必须严格按照电池的热管理设
计流程、电池的热管理系统及零部件类型、热管理
系统的零部件选型及热管理系统的性能评估等多 个方面来进行电池系统热管理的设计和验证，才 能保证电池的性能和安全性。 参考文献
５
电池热管理系统的性能评估
ＣＦＤ是电池热管理系统最有效的评估手段之
［３］
方杰，王英，谢先字等．新能源汽车动力电池系统测试
一。根据目前已有的风冷和水冷项目经验，ＣＦＤ
评价体系［Ｊ］．上海汽车，２０１３（９）：１１－１５．
命也有很大的影响。同一款电芯，当剩余容量为
９０％，２５
ｃｃ温度下输出容量为３００ ｋＷｈ，而３５℃
温度下的输出容量仅为１６３ ｋＷｈ。温度上升１０ ℃，电芯的循环寿命下降了近５０％。由此可见，温 度对电池的循环寿命有很大的影响。 因此，为了电池包性能的最优化，需要热管理 系统使电池电芯工作在一个合理的温度范围内。
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ｌ
系统是一个双蒸发器系统、系统没有电池制热、没 有冷凝水保护、制冷剂温度不易控制且制冷剂系 统寿命差。
Ｊ。
一
图４温度对循环寿命的影响 表１ ８０％剩余容量一
日历时间关系
温度／ｏＣ
２３ ３５ ４５ ５５
表２
９０％剩余容量一 能量输出
寿命／天
６ ２３８ １ ７９０ ６７０ ２７２
温度／‘Ｅ
２５ ３０ ３５
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｈａｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ
ａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．
【关键词】
动力电池热管理系统零部件汽车
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１４．０６．０２ 动力电池组作为混合动力汽车的主要储能元 件，直接影响到ＨＥＶ的性能。由于充放电过程中 电池本身会产生一定热量，从而导致温度上升，而 温度升高会影响电池的很多特性参数，如内阻、电 压、ＳＯＣ、可用容量、充放电效率和电池寿命。电池 热效应问题也会影响到ＨＥＶ整车的性能和循环 １．１电池热量的产生 由于电池阻抗的存在，在电池充放电过程中， 电流通过电池导致电池内部产生热量。原理如图 １
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图６低温散热器冷 却系统原理图
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罔９直接空气冷却系统
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图７
在进行电池包热管理系统类型设计选择时， 需要考虑到电池的冷却性能需求，结合整车的性 能以及空间大小，系统的稳定性和成本高低也是 要考虑的因素。
直接冷却水冷却系统
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Ａ样件
Ｂ样件
ｃ样件
Ｄ样件
产品
图１０产品开发流程示意图
明确客户需求＋了解点芯性能
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整个系统 空气流量 Ｊ 一系列支持
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２００ １００ ０
动力电池热管理系统及其设计流程介绍
周 奕
王 英
黄晨东
（上海汽车集团股份有限公司新能源和技术管理部，上海２０１８０４）
【摘要】
从电池热管理系统、热管理系统零部件类型、电池热管理系统设计流程、热管理系统的零部件
选型以及热管理系统性能验证等几个方面全面介绍了动力电池热管理系统。对动力电池热管理系统的设计丁 作有一定的指导意义。
图１
电池充电过程中的 能量平衡
图２
电池放电过程中的 能量平衡
９５％以上。因此，温度对日历寿命的影响极大，温
度越高日历寿命衰退越严重。
从表２、图４可以看出，温度对电池的循环寿
１．２温度升高对电池寿命的影响 温度的升高对电池的日历寿命和循环寿命都 有影响。本文引用了某家动力电池厂关于不同温 度对不同电芯的日历寿命的影响数据，如图３、４ 所示。具体数据如表ｌ、２所示。
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图８空冷／水冷混合冷却系统
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冷却负荷，确定满足需要的风量／水流量，然后对
设计进行一系列的验证计算，计算满足设计要求 后进行零部件的选型，确认供应商等一系列工作。 电池的热管理开发流程见图１ １所示。
空冷／水冷混合冷却系统具有系统紧凑、性能 好且低温环境下经济节能等优点。但是此系统复 杂、成本高、控制复杂且可靠性要求高。
４．１冷却板选型 冷却板作为电池包水冷系统中最关键的零部
件之一，冷却板的选型至关重要。冷却板的选型 必须满足如下要求：冷却板的压降必须满足客户
要求；冷却水流动的一致性要求；爆破压力要求； 冷却板的机械要求；冷却板必须通过振动和冲击 载荷测试；冷却板必须满足公差要求以及空间尺 寸要求。 ４．２风机选型 电池空气冷却的关键零部件之一为风机，风 机的选型直接影响电池包空冷系统的冷却效果。 风机的选型要求如下：根据电池的热生成速率确 定空气流量；满足每个模块的温升要求；基于系统 所需空气流量以及系统的压降曲线选择满足要求 的风机，如图１２所示。
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ
ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ，ｔｙｐｅ
ｂａｔｔｅｒｙ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ
空冷／水冷混合冷却系统 空冷／水冷｝昆合冷却系统原理如图８所示。
３
热管理系统的设计流程介绍
空冷／水冷混合冷却系统中有两个关键零部件：一 个是水冷的电池冷却器，另一个是空冷的电池散 热器。
３．１产品开发流程 电池热管理系统的开发流程应与电池包开发 流程保持一致。热管理系统的设计贯穿于整个电 池包的设计过程中，在整车开发经过Ａ样件、Ｂ样 件、Ｃ样件、Ｄ样件以及最后的产品５个阶段，电池 热管理参与每个阶段的设计、更改、试制以及验 证，具体流程见图１０。 ３．２热管理开发流程 电池的热管理系统开发首先必须明确客户的 需求以及对电芯性能的了解，根据电芯特点和整 车实际情况，确认电池的冷却方式是空气冷却还 是水冷却。不管哪种冷却方式，首先根据电池的
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电池热管理开发流程示意图 图１２风机．管路性能曲线图
４
电池热管理系统的零部件选型
可以完成如下工作：水冷系统冷却板的压降计算 以及冷却水流动一致性计算；电池包热性能评估 计算；电池包浸泡及浸泡恢复性能评估计算；空气 冷却系统优化计算。
ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
２５６－２６３．
ａｎｄ Ｍｕｈｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，２００４，２６：
庞剑，谌刚，何华．汽车噪声与振动——理论与应用
徐浩，芮执元，王富强．基于有限元的大型摩擦焊机主
［５］
邓兆祥，高书娜，胡玉梅．基于拓扑优化的轿车车身低
［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００８． ［２］
上海汽车２０１４．０６
・９・
万方数据
明确客户对电 设计 池包的需求 －工程、设计冻结
试制 ・功能验证——ＣＶ
・工程更改二ｐＶ样件设计＋冻结
－试制一ＤＶ样件试制完成
・工程更改一ＰＶ样件设计冻结 试制．Ｐｖ氧件试制完成
・设计验证——ＤＶ
・产品验证——ＰＶ
・ＰＰＡＰ生产件批准程序 ＰＳＯ产品签认书 工程更改 试生产
能量输出／ｋＷｈ
３００ ２３５ １６３
Ｖ
撒一
Ｌ！鉴！坚ｊ
上海汽车２０１４．０６
・８・
万方数据
２．２低温散热器冷却系统 低温散热器冷却系统的原理图如图６所示。 低温散热器冷却系统是电池的一个单独系统，由 散热器、水泵和加热器组成。该冷却系统具有系 统简单、成本低、低温环境下经济节能等优点。但 是此系统有着冷却性能低、夏天水温高、应用受天 气限制等缺点。 ２．３直接冷却水冷却系统 直接冷却水冷却系统的原理图如图７所示。 直接冷却水冷却系统具有系统紧凑、冷却性能好
Ｉ一５５℃８０％ｓＯｃ．ＸｃｅｌｌⅧ
４００ ５００
热管理系统及零部件类型也不尽相同。不同的热 管理系统，零部件类型的结构不同、重量不同以及
６０（
图３温度对日历寿命的影响
蔼
｛【一＼≮
系统的成本不同和控制方式不同，使得系统所达 到的性能也不相同。下面将展开介绍不同类型的 热管理系统以及不同系统的优点、缺点及关注点。 ２．１直冷系统 直冷系统的原理图如图５所示。直冷系统具 有系统紧凑、重量轻以及性能好的优点。但是此
噪声设计［Ｊ］．振动与冲击，２００８，２７（１１）：１６８．１７２ ［６］ 舒磊，方宗德，赵冠军．驾驶室结构减振降噪的拓扑优
轴箱优化设计［Ｊ］．机械设计与制造，２０１３（３）：１１４—１１６． ［３］
ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｍ．Ｐ．Ｂｅｎｄｓｏｅ，Ｏ．Ｓｉｇｍｕｎｄ．Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ：ｔｈｅｏｒｙ，
构优化设计［Ｊ］．汽车技术，２０１２，４４６（１１）：４６－４９． ［８］ 樊俊铃，郭杏林，吴承伟等．热像法和能量法快速评估
［４］
ｔｉｏｎ ｏｆ
ａ
Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ
ａ
Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｅｎ．
Ｑ２３５钢的疲劳性能［Ｊ］．材料Ｔ程，２０１２（１２）：７１．７６．