动力电池热管理先进技术

动力电池热管理先进设计

随着社会的发展，人类对能源的需求总量在不断地提升，而传统化石能源因为储量有限，以及在应用过程中带来的温室效应等潜在隐患，让世界各国都认识到调整能源结构对确保可持续性发展的重要性。因此，自20世纪70年代以来，世界各主要国家都加大了在风电、太阳能、氢能等可再生能源方面的技术研发及应用推广。其中，电动汽车的发展得到了全球统一的认可。

截至2015年,美国在全球电动汽车保有量中的占比一直都是最高的。到2016年,中国成为全球电动汽车保有量占比最高的国家,全球占比约三分之一。中国拥有超过2亿辆两轮电

动车、300万到400万辆低速电动汽车(LSEV)和超过30万辆电动公交车。在其他交通方式的电气化方面,中国也是迄今为止的全球领导者。

电动汽车行业的火爆带动了动力电池产业的迅猛发展，据中国市场情报中心（CMIC）

报道，到2020年，新能源电动汽车带动的全球车载动力储能电池市场需求将超过2000亿元，市场发展潜力十分可观。动力电池系统是新能源电动汽车的心脏，与电机、电控并称为新能源电动汽车三大核心部件，其性能影响整车的安全性、经济型和动力性，直接关系到新能源汽车产业的发展前景与市场规模，是推动新能源电动汽车商业化、市场化应用的关键。在众多类型动力储能电池中锂离子动力电池由于其具有高单体工作电压、高质量比能量、高体积比能量、长循环寿命、无记忆效应、低自放电率、宽工作温度范围、清洁无污染等优点，应用越来越广泛。但动力电池制备技术尚不完善，生产品质不宜掌握，纵然是同批次同型号动力电池单体电芯在性能方面也存在着差异。且由于动力电池组在使用过程中受环境因素、电池老化等原因，单体电芯之间的不一致性激增，极易发生过充或过放等极端异常情况，甚至导致动力电池起火爆炸等安全隐患。因此设计安全可靠的动力电池管理系统，实时监测动力电池关键数据，估计电池工作状态，控制电池组充放电过程，对于延长电池的使用寿命，保证电池使用过程中安全，提高电池的能量利用率至关重要。

电池管理系统（Battery Management System, BMS）的主要任务是保证电池组工作在安

全区间内，提供车辆控制所需的必需信息，在出现异常时及时响应处理，并根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电功率等。BMS的主要功能有电池参数监测、电池

状态估计、在线故障诊断、充电控制、自动均衡、热管理等。本文将重点分析电池热管理系统 (Battery Thermal Management System, BTMS).

电池的热相关问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。

温度高低对于里离子动力电池的整体性能，包括电池的容量、功率、充放电效率、安全性和寿命等都有着非常显著的影响。温度较低时，电池的可用容量将迅速发生衰减，在过低温度下（如低于0℃）对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象，造成内部析锂并进而引发短路。其次，锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热，并进而引起连锁放热反应，最终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件，威胁到车辆驾乘人员的生命安全。另外，锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命。电池的适宜温度约在10~30°C之间，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小，电池内部热量不易散出，更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题，从而进一步加速电池衰减，缩短电池寿命，增加用户的总拥有成本。

热管理系统的功能主要包括：

◆电池温度的准确测量和监控；

◆电池模组温度超过限值时，能有效散热和降温；

◆低温条件下的快速加热，使得电池系统处于能正常运行的温度范围；

保证电池组温度场的均匀分布，降低单体电池之间的温度差异。

热管理系统设计目标是根据整车典型的运行工况和锂离子电池的发热功率，选择适合的热管理方式，基于电池的温度特性合理设计热管理策略，保证电池包内各个电池都工作在合理温度范围，同时尽量维持电池包内各个电池及电池模组之间的温度均匀性。

一、冷却方案设计

常见的冷却方案主要有：自然冷却、强制风冷、液冷和直冷，这四种冷却方式的冷却效率依次增强。

1.自然冷却

采用自然冷却散热方式是典型的以空气为传热介质的被动散热方案，直接让电池箱体内部的空气穿过电池模组，通过空气与电池、电池箱体等导热部件之间的对流换热实现对电池进行冷却的目的。自然冷却方案具有结构简单、零部件数量少、成本低等优点，是目前应用范围最广泛的一种散热方式。

2.强制风冷

自然冷却的方案比较容易实现，但其散热效果有限。强制风冷是利用风扇使空气产生强制对流将电池箱体内部电池的热量经过排风风扇带走，散热效率比自然冷却更高。我司早期快充及混合动力车型多数采用强制风冷，优点是结构较简单、成本较低，缺点是对动力电池内部风道设计要求较高、温度一致性较难控制、防护等级很难达到IP67.

强制风冷原理

强制风冷结构的电池箱体

3.液体冷却

液体冷却的制冷效果远超于自然冷却和强制风冷。在复杂工况下，尤其在高放电倍率（如插电式混合动力应用）、高充电倍率（如快充应用场合）、较高的运行环境温度（南方夏季酷热天气，气温≥35℃）时，依靠自然冷却和强制风冷很难满足散热需求，而且电池之间的温度不均衡性也非常突出，因此需要效率更高的传热介质才能达到电池包的散热需求。液体介质相对于空气介质拥有更大的导热系数，通常的设计是电池的热量通过液冷板外壁与液体介质实现换热。另外，也有将电池直接浸泡在矿物油之中实现换热。

液体冷却原理图

4.相变材料冷却（直冷）

相变材料是一种能够利用自身的相变潜吸收或者释放系统热能的材料，在其物相变化过程中，可以从外界环境吸收热量或者向外界放出热量，从而达到通过能量交换控制环境温度和利用能量的目的。此方案在多电池包系统中运用较少，不做详细介绍。

二、加热方案设计

一般而言，加热系统是为了满足在低温环境下能够使电池能正常充电。加热系统主要由加热元件和电路组成，其中加热元件是最重要的部分。常见的加热元件有可变电阻加热元件和恒定电阻加热元件，前者通常称为PTC（Positive Temperature Coefficient），后者则是通常由金属加热丝组成的加热膜，譬如硅胶加热膜、挠性电加热膜等。由于汽车地域适用性较为广泛，在寒冷地区要使电动汽车能正常使用，必须对电池加入额外的加热系统以满足要求。

PTC由于使用安全、热转换效率高、升温迅速、无明火、自动恒温等特点而被广泛使用。其中陶瓷PTC元件较为常用，其成本较低，对于目前价格较高的动力电池来说，是一个有利的因素。陶瓷PTC元件通常不能直接用于加热，而需要设计金属外壳体，陶瓷PTC通过加热外壳体而将热量传导给其他结构。

然而，使用陶瓷PTC作为加热元件的缺点也很明显。首先，包含PTC的加热件体积较大，会占据电池系统内部较大的空间。其次，PTC的外壳是金属件，会存在绝缘理由。除了常规的陶瓷PTC这类相对硬度较高的材质，还存在一类柔性PTC。柔性PTC是指其PTC的组织结构柔软、重量轻、厚度小（通常可做到0.5mm以下），它可以根据需要作成任何形状。这类PTC广泛的用于汽车坐垫加热，目前也正逐步在电池加热中使用。但是，这类PTC加热器的成本会相对较高。

绝缘挠性电加热膜是另一种加热器，它可以根据工件的任意形状弯曲，确保与工件紧密接触，保证最大的热能传递，并且其厚度可以达到0.25mm左右。硅胶加热器是传统金属加