电池热管理知识总结

一（1）

3.4.1 电池组热管理系统的功能

电池组热管理系统的主要功能如下：

①电池温度的准确测量和监控；②电池组温度过高时的有效散热和通风；

③低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；

④有害气体产生时的有效通风；⑤保证电池组温度场的均匀分布。

3.4.2 电池组热管理系统的关键技术

电池组热管理系统的关键技术有：

①确定电池最优工作温度范围；②电池热场计算及温度预测；③传热介质选择；

④热管理系统散热结构设计；⑤风机与测温点选择

3.4.3 电池组热管理策略

热管理从性质上可分为降温过程和升温过程。

（1）降温热管理

降温热管理最直接的目的是防止电池组的温度超过电池工作的最高温度，进一步的要求还包括：控制电池组的温升，均衡电池箱内各点的温度，保持各单体电池的温度一致，防止因温度不同而造成电池组间的电池性能差异。

按照降温介质可以分为空气冷却法、液体冷却法和相变材料冷却法。其中，空气冷却是最便宜的方法；液体冷却除了需要盛放冷却介质的空间，还需在体外有额外的循环系统，相变材料冷却的方法较为昂贵[19]。

温度是一个惯性比较大的环节，因此对空气冷却降温热管理使用滞环的方法来控制，如图7所示，这样可以避免因温度在临界点波动造成风机频繁启停。

2）升温热管理

对于锂电池而言，低温下电池负极石墨的嵌入能力下降。因此，低温主要是对锂电池的充电有负面影响，对电池的放电则影响不大[20]。在低温时，由于电池的活性差，电池负极石墨的嵌入能力下降，这时大电流充电很可能出现电池热失控甚至安全事故。因此，当电池管理系统监测到电池温度过低时会发出控制信息，通知充电机进行小电流充电。另外，由于低温（低于-10 ℃）环境下，电池的内阻会增加。在充电过程中，电池就会产生更多的热量，使得电池的温度逐渐升高。这样在进行一定时间的小电流充电后，当监测到电池的温度正常后，即可通知充电机恢复正常模式充电。综合以上的策略，锂电池的热管理控制流程图如图8 所示。

二（2）

1．2 电动车电池组热管理系统BTMS的主要功能BTMS 通常有以下几项主要功能［4］:

( 1) 保持电池的温度均衡，以避免电池间的不平衡而降低性能;

( 2) 通过使用气体、液体、导体与电池直接或间接接触来主动或被动加热/冷却电池组;

( 3) 消除因热失控引发电池失效甚至爆炸等危险;

( 4) 提供通风，保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出，保证使用电池安全性。

2 BTMS 设计关键技术

2．1 确定电池最优工作温度范围

不论在何种气候条件与车辆运行工况下，BTMS都要尽可能地将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范围内。所以设计BTMS 的前提是要了解电池组最优的工作温度范围。本文研究的对象是磷酸铁锂电池，其安全工作温度: 充电时，－10 ～+45 ℃; 放电时，－30 ～+55 ℃，一般其最优工作温度范围为10 ～50 ℃［5］。

2．2 散热方式的选择

目前，使用较多的几种散热方式为风冷散热、水冷散热、空调制冷和热电制冷［6］( 见表1) 。

在综合考虑了系统制作的难易程度和成本因素后，本文选择了风冷散热的方式，而且本田公司的思域和丰田的普锐斯也都采用了风冷散热方式。

2．3 热管理系统散热结构设计

电池包内不同电池模块之间的温度差异会加剧电池的不一致性，如果长时间积累会造成部分电池过充或过放，进而影响电池包的性能与寿命，并埋下安全隐患。电池包内电池模块的温度差异与电池组布置有很大关系，通常中间位置的电池容易积累热量，两边的电池散热情况较好。所以在进行电池组系统的散热结构的设计时，要尽量保证电池组散热的均匀性。对风冷散热而言，主要分为串行风冷和并行风冷2 种。

一般来说，采用并行方式进行通风更为有效［7］，每个电池模块都可以吹到同样量的冷风，保证了模块间温度的一致性，并且电池组的温度可以用几个特定位置的温度传感器来显示，便于电池管理器对温度的采集［8］。本文采用并行风冷进行电池组散热。

电池分为上下两排放置，并由 3 层支架固定在一起。每层支架上部横向开有5 个长条形孔( 通道 1 ～5) ，3 层支架上的孔构成了纵向的 5 个通道，用于气流通过。空气从进风口进入下部导( 集) 流板，分成5股气流对电池进行冷却，最后在上部导( 集) 流板汇集后从出风口排出( 见图1) 。

2．4 结构形式的分析

本文主要是通过调整通道的间距以及改变集流板的倾斜角度，找出流速均匀性最好的散热结构。对于调整通道的间距，一种是间距均等，另一种是使通道间距从左至右依次减小，通道间距的递减值分别为1、2 和 3 mm，则每种方案下5 个通道上的实际间距见表2。

调整气流通道的间距，也即是调整其流动阻力，通道间距越小，则意味着阻力越大，当气流通道间距从左至右依次减小时，阻力依次增大，这样空气会根据其受到的阻力重新分配流量，从而起到调整空气流速分布的目的。这是一种直接调整流速的方法。

第 2 种方法是改变导流板与水平面夹角，本文采用了 3 种导流板倾斜角度方案，分别是2°、4°和6°。流体流动的根本原因就是压差，上下集流板倾斜角度的变化影响了通道两侧的压差，从而间接影响了流速［6］。这是一种间接调整流速的方法。

2．5 流速均匀性分析

本文采用Gambit 软件生成网格，然后导入Fluent软件来对结构形式进行模拟计算，得到每种结构形式中 5 个通道的流速，从而分析间距递减值和集流

板倾斜角度对流速分布的影响，并确定出使流速均匀性最好的结构形式［9］见图2 ～5) 。

取每一种结构变动形式中的最大流速和最小流速的差值作为指标来衡量其流速均匀性，结果如图 6 所示。可以看出，流速均匀性最好的结构形式是通道间距递减值为2 mm，导流板倾斜角度为4°的方案。

3. 2 热管理系统控制流程

温度较低时( ＜－10 ℃) ，电池的活性较差，这时大电流充电可能引发热失控。因此，当系统监测到温度过低时会发出控制信息，通知充电机进行小电流充电。充电过程中，部分电能转为热量，电池会逐渐升温。这样在充电一段时间后，当监测到电池温度恢复正常后( ＞10 ℃) ，即可通知充电机停机。由于低温主要是对锂电池的充电有负面影响，而电池放电过程属于放热反应，电池的温度会很快上升到适宜温度。因此，这一过程并不需要主动管理［11］。

当测温模块检测到温度＞70 ℃时，系统报警; 温度＞50 ℃时，风机全速运行; 当40 ℃＜温度＜50 ℃时，风机进入节电模式采取中速运行，直到低于40 ℃时风机停机。综合以上的策略，热管理控制流程图参见图7。

3. 3 结果分析

在实验室常温条件下( 25 ℃) 几种电池组散热方式测试结果如表 3 所示。以上测试结果表明，改进后的并行通风可以明显降低电池组的温度，且将温差控制在3 ℃以内，使电池温度维持在最优工作温度下且单体间温差最小。