电动汽车电池包设计中必不可少的热管理系统介绍

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研究表明，锂电池的最佳使用温度是0°C-40°C，当受到外界环境的影响，电动汽车电池包内的温度落在这个区间之外时，电动汽车电池的寿命和容量就会打折扣，同时当温度过高时，锂电池可能会发生“热失控”，从而造成电池包冒烟、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。因此，当外界环境的温度低于0°C时，目前高端电动汽车普遍采用对锂电池启动前进行预热的做法。对于外界环境以及电池包内温度过高的情况，主要采用的散热设备来辅助电池包散热。总之，为了保证动力电池使用性能、安全性和寿命，电动汽车电池包中的热管理系统也是电动汽车关键技术之一。

电动汽车起火

热管理系统的主要功能

1）散热

在电池温度较高时进行有效散热，防止产生热失控事故；

2）预热

在电池温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充电、放电性能和安全性；

3）温度均衡

减小电池组内的温度差异，抑制局部热区的形成，防止高温位置处电池过快衰减，以提高电池组整体寿命。

热管理系统预热方面的主要设计

1）PTC，Positive Temperature Coefficient的缩写，翻译过来就是正温度系数热敏电阻，一种温度敏感性半导体器件，当温度超过某一个值以后，电阻随着自身温度的升高而增大。在加热系统中，作为发热元件使用。

电动汽车电池箱中PTC加热器

预热和行驶过程中加热，都由电池管理系统BMS总体控制加热过程。BMS中的从机的温度传感器检测电池包内的温度，从机将通过CAN总线将采集到的温度数据实时传送给BMS的主机。BMS的主机根据设计人员预先设定的预热或者加热控制策略，管理加热过程，达到预定温度后，切断加热电路。

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。但是PTC的加热件体积较大，会占据电池系统内部较大的空间。

2）电热膜预热系统

电热膜式取暖器为纯电阻电路，加热功率依靠加载的电压调节，如果条件允许，电热膜加热功率范围比较宽，可以实现大范围调节。但需要配备可调节电压范围的电源。

电热膜

采用电热膜预热系统，电能转换为热能的效率高，与冷空气自然对流，运行安静无噪音，唯一缺点是发热体温度非常高，需要防护网进行安全保护。

3）硅胶加热膜预热系统

硅胶加热膜与电加热膜用法上类似，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。硅胶加热膜是传统金属加热器无以伦比的具有柔软性的薄形面发热体。

硅胶加热膜

4）其他预热系统

    除了以上三种预热系统外，还有两类预热系统，液冷预热系统和相变材料预热系统，这里相变材料预热目前研究的比较多，在实际中，很少有应用。

液冷预热系统是针对动力电池包整体热管理需求设计的系统，夏季冷却，冬季加热，是个全能型选手。液冷系统主要包括液冷散热器，冷却液循环管路、热交换系统和液体循环动力几个部分组成。热量从热交换系统经过循环管路通过散热器传递给动力电池。

液冷预热系统加热效果好，但是由于冷却系统本身的复杂性，使得液冷系统实现预热，也比PTC预热系统要复杂。加热过程需要考虑给冷却液和电池两个部分加热，因而除了加热过程的控制，还有液体循环系统的控制配合，因此，控制权限上也比较复杂，很可能整车控制器、充电机以及BMS都需要参与。

相变材料，PCM，Phase Change Material的缩写。相变材料冷却技术，是利用材料的相变潜热，维持系统环境保持在恒定温度范围不变。应用较多的相变材料有石蜡-膨胀石墨。因此，也可以用相变材料来实现对电动汽车电池的加热及散热处理。

热管理系统散热方面的主要设计

目前，电动汽车在冷却方式上主要采用空气冷却、液体冷却、热管冷却、相变材料冷却等。空气冷却方式仍然是主要采用的方法，空气冷却比较容易实现，但冷却效果不佳。

1）风冷

风冷系统是当温度过高时，BMS驱动风扇转动来降低电池包内的温度，在风冷系统设计中，最主要的设计在于电池箱体冷却风道的设计以及风机的选型方面。

风道的设计主要有串行和并行的两种方式，如下图所示。

风道设计上两种结构设计的示意图

在这两种风道设计方面，串行结构简单，但阻力大；并行结构较复杂占用空间多，但散热均匀性好。

风机的选型上需要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。

2）液体冷却

液冷系统组件：水冷管道、冷却泵、冷却阀、冷却板

冷却板作为电池包液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。

Volt冷却板示意图

液冷是目前主流的冷却方式，其代表为通用Volt。在通用Volt的电池模组中，每两个电芯间都会有冷却散热片，冷却散热片再与冷却板相连。

Volt电池模组结构示意图

3）相变冷却

利用材料在固液气三态间发生转变，在发热部件工作时吸收热量，不工作时散发热量的一种方式。目前相变冷却还处于研究阶段，但是还是有奇葩（引领业界潮流），宝马i3。

目前，热管理系统的主要控制部分集成在BMS中，一般都是BMS来控制热管理系统中的加热设备或者冷却设备工作的。

热管理系统的展望

    温度对于电池性能有很大的影响，通过热管理系统能够进一步提高电动汽车电池包的安全性、可靠性以及续航里程，因此，热管理系统的研究在未来任然会是一个主要的方向。