动力电池热管理系统组成及设计流程

动力电池热管理系统组成及设计流程

动力电池是电动汽车的能量来源，在充放电过程中电池本身会伴随产生一定热量，从而导致温度上升，而温度升高会影响电池的很多工作特性参数，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整车的性能和循环寿命，因此，做好热管理对电池的性能、寿命至整车行驶里程都十分重要。接下来，就从电池热管理系统及设计流程、零部件类型及选型、热管理系统性能及验证等几个方面来和大家聊一聊：

动力电池热管理必要性

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。另外，由于电池内部的电化学反应也会造成一定的生热量。

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。

从上面两个图可以看出，温度对电池的日历寿命有很大的影响。同样的电芯，在环境温度23℃，6238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℃，电芯的日历寿命下降了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。

从上面两个图可以看出，温度对电池的循环寿命也有很大的影响。同一款电芯，当剩余容量为90%，25℃温度下输出容量为300kWh，而35℃温度下的输出容量仅为163kWh。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，需要设计热管理系统确保各电芯工作在一个合理的温度范围内。

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热管理系统的分类及介绍

不同的热管理系统，零部件类型的结构不同、重量不同以及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。主要有如下五大类：

1、直冷系统

直冷系统具有系统紧凑、重量轻以及性能好的优点。但是此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短。

2、低温散热器冷却系统

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。

3、直接冷却水冷却系统

直接冷却水冷却系统具有系统紧凑、冷却性能好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。

4、空冷/水冷混合冷却系统

空冷/水冷混合冷却系统中有两个关键零部件：

1）水冷电池冷却器；

2）空冷电池散热器。

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。

5、直接空气冷却系统

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。

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热管理系统设计流程

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。

2、热管理开发流程

设计性能良好的电池组热管理系统，要采用系统化的设计方法。电池组热管理系统设计的过程包括如下7个步骤：

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设计过程中的关键技术

1、确定电池工作最优工作温度范围

由于气候和车辆运行条件对电池影响很大，所以设计BTMS时需要确定电池组最优的工作温度范围。目前电动汽车用电池主要有铅酸电池、氢镍电池和锂离子电池。

1）铅酸电池

经研究发现，铅酸电池的寿命随温度增加线性减少，充电效率却线性增加，随着电池温度的降低充电接受能力下降，特别是0℃以下；模块间的温度梯度减少了整个电池组的容量，推荐保持电池组内温度的均匀分布和控制现有铅酸电池温度在35～

40℃之间。效率和最大运行功率在-26～65℃范围内增加。

2）氢镍电池

当温度超过50℃时，电池充电效率和电池寿命都会大大衰减，在低温状态下，电池的放电能力也比正常温度小得多。下图

是某80Ah氢镍电池不同温度下电池放电效率图，由图中可以看出，在温度高于40℃或者温度低于0℃时，电池的放电效率

显著降低。如果仅根据这一限制，此电池的工作运行范围应该在0～40℃之间。

3）锂离子电池

与氢镍电池、铅酸电池相比，能量密度更高，导致生热更多，所以对散热要求更高。锂离子电池最佳工作温度在-20～75℃

之间。

铅酸电池、氢镍电池、锂离子电池热管理的必要性取决于各自的生热率、能量效率和性能对温度的敏感性。氢镍电池在高温> 40℃）时生热最多、效率最低并且易于发生热失控事故。因此，氢镍电池很需要热管理，很多对氢镍电池进行液体冷却的努力也突出了这一点。

2、电池热场计算及温度预测

电池不是热的良导体，电池表面温度分布不能充分说明电池内部的热状态，通过数学模型计算电池内部的温度场，预测电池的热行为，对于设计电池组热管理系统是不可或缺的环节。通常使用如下公式进行计算：

式中：

a、T 是温度；

b、ρ 是平均密度；

c、Cp 是电池比热；

d、kx 、ky 、kz 分别是电池在x 、y 、z 方向上的热导率；

e、q 是单位体积生热速率。

3、电池生热率

电池充电过程中的反应生热可以分为两个阶段。

第1阶段：

没有发生过充电副反应之前，生热量主要来自: 电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。

第2阶段：

在发生过充电副反应之后，生热量主要来自: 电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。其中大