新能源整车热管理（三）：电池系统热管理

动力电池作为新能源汽车的主要动力源，其对新能源汽车的重要性不言而喻。在实际的车辆使用过程中，电池会的面临的使用工况复杂多变。为了提高续航里程，车辆需要在一定的空间内布置尽可能多的电芯，因此车辆上电池包的空间非常有限。电池在车辆运行过程中产生大量的热量且随着时间的累积在相对狭小的空间内内积聚。由于电池包内电芯的密集堆放，也在一定程度上造成中间区域散热相对更困难，加剧了电芯间的温度不一致，其结果会降低电池的充放电效率，影响电池的功率；严重时还会导致热失控，影响系统的安全性和寿命。
动力电池的温度对其性能、寿命、安全性影响很大。在低温下，锂离子电池会出现内阻增大、容量变小的现象，极端情况更会导致电解液冻结、电池无法放电等情况，电池系统低温性能受到很大影响，造成电动汽车动力输出性能衰减和续驶里程减少。在低温工况下对新能源车辆进行充电时，一般BMS先将电池加热到适宜的温度再进行充电的操作。如果处理不当，会导致瞬间的电压过充，造成内部短路，进一步有可能会发生冒烟、起火甚至爆炸的情况。电动汽车电池系统低温充电安全问题在很大程度上制约了电动汽车在寒冷地区的推广。
电池热管理是BMS中的重要功能之一，主要是为了让电池组能够始终保持在一个合适的温度范围内进行工作，从而来维持电池组最佳的工作状态。电池的热管理主要包括冷却、加热以及温度均衡等功能。冷却和加热功能，主要是针对外部环境温度对电池可能造成的影响来进行相应的调整。温度均衡则是用来减小电池组内部的温度差异，防止某一部分电池过热造成的快速衰减。如表1所示，通常我们期望电池在20~35℃的温度范围内工作，这样能实现车辆最佳的功率输出和输入、最大的可用能量，以及最长的循环寿命。

表1 动力电池温度特性

一般来说，动力电池的冷却模式主要分为风冷、液冷和直冷三大类。风冷模式是利用自然风或者乘客舱内的制冷风流经电池的表面达到换热冷却的效果。液冷一般使用独立的冷却液管路用来加热或冷却动力电池，目前此种方式是冷却的主流，如特斯拉和volt均采用此种冷却方式。直冷系统则是省去了动力电池的冷却管路，直接使用制冷剂对动力电池进行冷却。

1、风冷系统：
早期的动力电池，由于其容量和能量密度较小，所以很多采用风冷的方式对动力电池进行冷却。风冷分为自然风冷和强制风冷（利用风机）两大类，利用自然风或驾驶室内的冷风对电池进行冷却。其基本原理如图1所示。

图1 风冷系统原理图

风冷系统的典型代表如日产日产聆风（Nissan Leaf）、起亚Soul EV等；目前48V微混车辆的48V电池普遍布置在乘客舱中，采用风冷的方式进行冷却，某动力电池风冷路径图如图2所示。风冷系统结构比较简单，技术相对成熟，成本较低。但由于空气带走的热量有限，其的换热效率较低，电池内部均温性不佳，对电池温度也难以实现比较精确的控制。因此风冷系统一般适用于续航里程较短、整车重量较轻的情况。

图2 某动力电池风冷路径图（并行风道）

值得一提的是，对于风冷系统而言，风道的设计对冷却的效果起着至关重要的作用。风道主要分为串行风道和并行风道，如图3所示。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。

图3 串行风道和并行风道

2、液冷系统
液冷模式即电池采用冷却液冷却的方式换热，其原理图如下图3所示。冷却液分为可直接接触电芯（硅油，蓖麻油等）和通过水道接触电芯（水和乙二醇等）两种；目前水和乙二醇混合溶液用的比较多。液冷系统一般会增加一个chiller与制冷循环耦合起来，通过制冷剂将电池的热量带走；其核心部件是压缩机、chiller和水泵。压缩机作为制冷的动力发起点，决定着整个系统的换热能力。chiller则起到了制冷剂和冷却液的交换作用，而换热量的大小也直接决定着冷却液的温度。水泵则决定了管路内冷却液的流速，流速越快换热性能就会越好，反之亦然。

图3 液冷系统原理图

Chiller(电池冷却器)的基本结构如下图所示，大家可以把它想象为蒸发器和换热器组合在一块的一个东西，知名的供应商如马勒贝尔等。它的主要作用为将空调系统的冷媒引入，冷媒在蒸发器中吸收电池冷却回路中传递过来的热量并将热量带走，以达到冷却动力电池的目的。其结构一般由一个换热器主体，一个外部蒸发器，两个冷却液进出管（一进一出），两个冷媒管（一进一出）组成。

如下“chiller的工作原理”图所示，一层层的板式换热片堆叠组成chiller中换热器的主体，冷却液和冷媒以对流的形式在其内部流动。在换热器主体中，冷却液和冷媒隔层间隔开，相互形成三明治结构。对流过程中热量从冷却液转移到冷媒上，以实现换热。电池冷却的效率由Chiller的功率大小、水泵功率的大小、冷却液流速、冷媒流速等因素决定。

液冷方案的典型代表如特斯拉、通用沃蓝达（Volt）等车型。如图4所示，Volt采用288节45Ah的层叠式锂离子电池；并在单体电池间间隔布置了金属散热片（厚度为1 mm），散热片上刻有流道槽。冷却液可在流道槽内流动带走热量。在低温环境下，加热线圈可以加热冷却液使电池升温。

图4 volt电池热管理的原理图及实物图

如图5所示，与VOLT的并行流道不同，由于特斯拉采用的圆柱形电芯，因此将冷板安装于18650电池的间隙，形成了串行的冷却流道。虽然冷板的设计布置难度较大且蛇形冷板在一定程度上增加了液冷系统的压力损失，但是其冷却效果做的相当好，能实现整个电池包的温度在正负2℃以内。二者的冷却系统对比如表a所示。

图5 特斯拉电池热管理的原理图及实物图

表a 特斯拉与沃兰达的冷却系统对比

某混动车型的电池热管理原理图及工作模式如图所示。

混动车辆电池热管理管路原理图

1、电池冷却液罐， 2、电池冷却管路水泵， 3、电池PTC加热器， 4、电池冷却液进口温度传感器， 5、动力电池， 6、电池冷去也出口温度传感器， 7、四通阀， 8、电池冷却器（chiller）， 9、电池散热器， 10、大气温度传感器， 11、冷凝器， 12、高压侧制冷剂压力传感器， 13、电动空调压缩机， 14、制冷剂压力传感器， 15、热膨胀阀， 16、乘客舱蒸发器， 17、热膨胀阀，18、冷却风扇

模式一：当电池的温度处于正常范围时，不需要加热或冷却时，水泵驱动使电池冷却液在电池内部循环，此时主要目的是使电池内部的温度保持尽可能一致。

模式二：当电池的温度较低，需要加热时，电动PTC打开，给冷却液加热，通过图示的循环完成对电池的加热。

模式三：当外界温度不算太高，电池需要加热时，四通阀切换到电池散热器的管路，如图所示。此模式下冷却液的热量主要通过电池散热器散发到空气中。

模式四:在较高的环境温度，电池需要散热，且仅通过散热器不能满足要求是，四通阀切换到chiller的管路，如图。此模式下冷却液的热量通过chiller传递给制冷剂，制冷剂再传递到空气中。

液冷系统的形式比较灵活，可以在电池模块间设置冷却流道（目前是主流），也可以在电池底部使用冷却板，或者将电芯或模组沉浸在冷却液中。液冷系统的优势在于换热系数高，速率快，均温性好，能实现较精确的温度控制；缺点是系统比较复杂，系统的密封性要求高，冷却系统占了电池包的相当一部分重量，成本相对较高。

3、直冷系统：
直冷系统是利用空调系统的制冷剂直接冷却动力电池的，原理图如图11所示。将空调系统的蒸发器直接安装在电池系统中，制冷剂在蒸发器中蒸发直接将电池系统产生的热量带走，从而实现更快、更有效地冷却过程。

图11 直冷系统原理图

目前采用直冷冷却的车型还较少，最典型的如BMW i3。由于没有液体的中间换热，因此制冷系统的结构紧凑，冷却效率更高（比液冷高出3~4倍），成本相对较小。但存在的问题在于由于制冷剂在管路内气液态转化，整个系统的控制比较复杂，均温性较差。且对系统的耐高压和密封等均具有较高要求，在整车上应用的风险较大。

下一节我会给大家带来热泵空调系统相关的介绍，请大家关注，谢谢！