下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
热管理系统设计的总体目标是使电池包在全周期使用工况下运行在一个适合电池工作的温度，在确保使用安全性的同时减缓电池的容量衰减和寿命衰减，为动力电池系统提供一个热环境稳定的工作空间。
为此，在热管理系统设计中，需要从系统的角度去考虑控制电池单体的工作温度和控制不同电池单体的温度差，前者会严重影响整个电池包的性能和寿命，后者会严重加剧电池包内部的短板效应，导致电池组一致性变差。要达到这样的目标，热管理系统的设计就应当考虑散热、加热、热均衡、保温这4个方面的措施。
1．散热要求
所设计的热管理系统应能在一定的时间内带走一定的热量，使动力电池系统内各电池单体在不同环境温度的工作状态下不超过某一温度限值。
2．热均衡要求
热管理系统的设计应使动力电池系统内各并联、串联电池单体间的温度差异稳定控制在某一限值以内。
3．加热要求
在电池因寒冷天气或位于高寒地带而无法工作时，动力电池系统应具备加热功能，使其在短时间内温度升高至可运转温度。
4．保温要求
热管理系统应能使动力电池系统不受外界高低温的影响，高温下隔绝热量进入，低温下阻挡热量逸出。
热管理系统的设计方案主要是基于单体电池的温度控制要求，确认动力电池系统的冷却散热、加热和保温设计方案。
1．冷却方案
常见的冷却方式主要有自然冷却、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，冷却效率主要是通过对流换热系数来表征，一般情况下根据整车使用环境、整车工况和电池单体特性确定系统所需要的对流换热系数，然后综合质量、空间和成本等因素确定冷却方式。
如图2.2所示，冷却方式的选择包括如下步骤：①冷却系统目标确认；②产热功率计算；③电池单体模型建立；④热流体仿真分析；⑤对流换热系数分析；⑥冷却方式选择。
图2.2 冷却方式选择
按照冷却介质的不同，现阶段已经有产品应用的冷却方式主要分为空气冷却、液体冷却和相变材料冷却三种方式。这三种方式的冷却散热能力依次增强，但冷却系统的结构复杂度也依次增加。除了根据冷却介质进行区分以外，也常常依据制冷散热过程中是否消耗额外能源分为主动冷却和被动冷却两种形式。
（1）空气自然冷却
采用自然冷却散热方式是典型的以空气作为传热介质的被动散热方案，即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。这种方式的对流换热系数较小，一般约为5～25W/（m 2 ·K）。由于空气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。例如吉利帝豪纯电动EV（2016版）、比亚迪纯电动c6、日本日产纯电动Leaf（2011版）、德国大众纯电动e-Golf（2014版）等均采用了空气自然冷却方案。自然冷却主要需要确定导热路径，并优化自然对流换热的效率。
（2）空气强制对流
尽管空气自然冷却方案比较容易实现，但冷却散热效果有限。空气强制对流则是通过运动产生的风将电池箱体内部电池的热量经过排风扇带走，是一种主动散热方式，因而散热效率更高，这种方式的对流换热系数约为50～100W/（m 2 ·K）。空气强制对流方式的优点是结构简单，重量轻，成本较低，有害气体产生时能有效通风等。缺点在于这种换热方式的换热系数低，从而造成冷却和加热速度慢；同时对于风道的设计要求很高，很难达到流场一致，导致电池单体温度一致性不好。目前，应用空气强制对流方案的主要有美国福特插电式混合动力C-Max（2013版）、美国通用雪佛兰中混Malibu Eco（2013版）、日本三菱纯电动iMieV（2011版）、法国雷诺纯电动ZOE（2012版）等。强制风冷系统主要包括出入风口、风道、风扇和防尘装置等，主要的问题是确定导热路径、进风口位置和进风口直径、风道布置、冷却策略等。
（3）液体冷却
一般工况下，采用空气介质冷却即可满足冷却散热要求，但在复杂工况下，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）时，依靠空气冷却显然很难满足散热需求，而且电池之间的温度不均匀性也非常突出，因此需要效率更高的传热介质才能达到电池包的散热要求。液体介质相对于空气介质拥有更大的换热系数，通常以50%的水和50%乙二醇（体积分数）的混合物作为传热介质，通过设置的具有冷却液流道的薄壁液冷管道液冷板将热量导出，实现冷却液与电池之间的换热，可以比空气强制对流实现更高的散热需求。这种方式的换热系数可以达到500～1500W/（m 2 ·K）。另外，也有采用矿物油作为传热介质，将电池直接浸泡在液体介质中，即属于液体接触式冷却的一种方案。目前，应用液体冷却方案的主要有华晨宝马之诺纯电动1E（2013版）、华晨宝马之诺插电式混合动力60H（2016版）、吉利帝豪纯电动EV（2017版）、美国特斯拉Model S（2013版）、美国通用雪佛兰纯电动Spark（2013版）和插电式混合动力Volt（2011版）等。液体冷却方案主要包括液冷管路、液冷板、导热层、支撑结构和冷却策略等，概念设计主要涉及液冷回路及液冷板、管接头选型方案、冷却策略确定、导热路径等。
（4）相变材料冷却
相变材料（Phase Change Material，PCM）是一种能够利用自身的相变潜热吸收或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环境放出热量，从而达到通过能量交换控制环境温度和利用能量的目的。采用PCM的热管理系统是通过PCM在相变过程中的潜热在电池升温时来吸收电池的热量，同时减小电池单体之间温度差。目前，仅德国宝马增程式纯电动采用了制冷剂RB34 a（1，1，1，2-四氯乙烷）的直冷方式，这种方式的换热系数可以达到2500～25000 W/（m 2 · K），冷却效率比液体冷却更高，更能满足快充需求，同时结构紧凑，质量小。相变材料冷却方案与液体冷却方案基本类似。
2．加热方案
由于汽车地域适用性较为广泛，在冬季寒冷地区要使电动车辆能正常使用，必须对电池加入额外的加热系统以满足要求。尤其是冬季低温条件下，电池的活性变差，负极石墨材料的锂离子嵌入能力下降，如果采用大电流充电则电池内部可能出现析锂，影响充电效率和安全。因此，为了在低温环境下能够保证电池正常充电，需要对电池进行加热升温。常见的加热方式有三种：电加热膜加热、陶瓷PTC加热和液热。加热膜属于电阻加热方式，一般是将金属加热丝封装于绝缘层内，金属丝通电之后发热可对电池系统进行加热。PTC加热器也是电阻加热的一种，不同的是它的电阻会随自身温度的升高而增大，从而达到恒温加热的效果。液热则是通过整车PTC加热部件将冷却液加热到一定温度，利用主动液冷系统来对电池系统加热的一种方式。加热方式的选择主要是根据电池单体升温速率、空间限制、对安全性的要求和成本来确定的，其中三种加热方式的主要特性对比见表2.3。
表2.3 常见的三种加热方式特性
电加热膜概念设计主要包括：加热膜安装位置选择、加热膜发热功率选择、加热回路内部的串并联方式及干烧温度控制要求等。如果不受安装空间限制，也可选用PTC加热片，其概念设计主要包括：PTC加热片安装位置、PTC加热片发热功率、加热回路内部的串并联方式、干烧温度控制要求等。如果采用的是主动液冷系统，则可以集成液热，主要确定冷却液入口温度和流量。
3．保温方案
针对南方夏季高温天气，车辆在长时间高温热辐射作用下，热量会进入到电池箱内部，导致电池箱体内部温度过高。针对北方冬季严寒天气，车辆停放时间较长之后，电池箱体内部温度会快速下降，影响车辆的再次充电和起动；或者在对动力电池系统进行加热过程中，由于电池箱散热速度太快，也会影响加热速度和效果。因此，需要通过保温设计减少外部夏季高温或者冬季低温环境对电池箱内部电池的影响。通常采用保温材料起到隔热的作用，减少外部环境因素的影响。保温系统通常是配合冷却系统和加热系统完成工作的，优良的保温系统不仅可以提高冷却和加热的效率，而且还可以降低能耗。保温概念设计主要包括：保温材料选择、箱体保温材料的布置方案设计等。