新能源整車熱管理(三):電池系統(tǒng)熱管理

新能源整車熱管理（三）：電池系統(tǒng)熱管理

動(dòng)?電池作為新能源汽車的主要?jiǎng)?源，其對(duì)新能源汽車的重要性不??喻。在實(shí)際的車輛使?過程

中，電池會(huì)的?臨的使??況復(fù)雜多變。為了提?續(xù)航?程，車輛需要在?定的空間內(nèi)布置盡可能多的

電芯，因此車輛上電池包的空間?常有限。電池在車輛運(yùn)?過程中產(chǎn)??量的熱量且隨著時(shí)間的累積在

相對(duì)狹?的空間內(nèi)內(nèi)積聚。由于電池包內(nèi)電芯的密集堆放，也在?定程度上造成中間區(qū)域散熱相對(duì)更困

難，加劇了電芯間的溫度不?致，其結(jié)果會(huì)降低電池的充放電效率，影響電池的功率；嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致

熱失控，影響系統(tǒng)的安全性和壽命。

動(dòng)?電池的溫度對(duì)其性能、壽命、安全性影響很?。在低溫下，鋰離?電池會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻增?、容量變?

的現(xiàn)象，極端情況更會(huì)導(dǎo)致電解液凍結(jié)、電池?法放電等情況，電池系統(tǒng)低溫性能受到很?影響，造成

電動(dòng)汽車動(dòng)?輸出性能衰減和續(xù)駛?程減少。在低溫?況下對(duì)新能源車輛進(jìn)?充電時(shí)，?般BMS先將電

池加熱到適宜的溫度再進(jìn)?充電的操作。如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致瞬間的電壓過充，造成內(nèi)部短路，進(jìn)?

步有可能會(huì)發(fā)?冒煙、起?甚?爆炸的情況。電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)低溫充電安全問題在很?程度上制約了

電動(dòng)汽車在寒冷地區(qū)的推?。

電池?zé)峁芾硎?/span>BMS中的重要功能之?，主要是為了讓電池組能夠始終保持在?個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)進(jìn)?

?作，從?來維持電池組最佳的?作狀態(tài)。電池的熱管理主要包括冷卻、加熱以及溫度均衡等功能。冷

卻和加熱功能，主要是針對(duì)外部環(huán)境溫度對(duì)電池可能造成的影響來進(jìn)?相應(yīng)的調(diào)整。溫度均衡則是?來

減?電池組內(nèi)部的溫度差異，防?某?部分電池過熱造成的快速衰減。如表1所?，通常我們期望電池在

20~35℃的溫度范圍內(nèi)?作，這樣能實(shí)現(xiàn)車輛最佳的功率輸出和輸?、最?的可?能量，以及最長(zhǎng)的循

環(huán)壽命。

表1 動(dòng)?電池溫度特性

?般來說，動(dòng)?電池的冷卻模式主要分為風(fēng)冷、液冷和直冷三?類。風(fēng)冷模式是利??然風(fēng)或者乘客艙

內(nèi)的制冷風(fēng)流經(jīng)電池的表?達(dá)到換熱冷卻的效果。液冷?般使?獨(dú)?的冷卻液管路?來加熱或冷卻動(dòng)?

電池，?前此種?式是冷卻的主流，如特斯拉和volt均采?此種冷卻?式。直冷系統(tǒng)則是省去了動(dòng)?電池

的冷卻管路，直接使?制冷劑對(duì)動(dòng)?電池進(jìn)?冷卻。

1、風(fēng)冷系統(tǒng)：

圖2 某動(dòng)?電池風(fēng)冷路徑圖（并?風(fēng)道）

值得?提的是，對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)??，風(fēng)道的設(shè)計(jì)對(duì)冷卻的效果起著?關(guān)重要的作?。風(fēng)道主要分為串?

風(fēng)道和并?風(fēng)道，如圖3所?。串?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但阻??；并?結(jié)構(gòu)較復(fù)雜占?空間多，但散熱均勻性

好。

圖3 串?風(fēng)道和并?風(fēng)道

2、液冷系統(tǒng)

液冷模式即電池采?冷卻液冷卻的?式換熱，其原理圖如下圖3所?。冷卻液分為可直接接觸電芯（硅

油，蓖?油等）和通過?道接觸電芯（?和??醇等）兩種；?前?和??醇混合溶液?的?較多。液

冷系統(tǒng)?般會(huì)增加?個(gè)chiller與制冷循環(huán)耦合起來，通過制冷劑將電池的熱量帶?；其核?部件是壓縮

機(jī)、chiller和?泵。壓縮機(jī)作為制冷的動(dòng)?發(fā)起點(diǎn)，決定著整個(gè)系統(tǒng)的換熱能?。chiller則起到了制冷劑

和冷卻液的交換作?，?換熱量的??也直接決定著冷卻液的溫度。?泵則決定了管路內(nèi)冷卻液的流

速，流速越快換熱性能就會(huì)越好，反之亦然。

圖3 液冷系統(tǒng)原理圖

Chiller(電池冷卻器)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所?，?家可以把它想象為蒸發(fā)器和換熱器組合在?塊的?個(gè)東

西，知名的供應(yīng)商如馬勒貝爾等。它的主要作?為將空調(diào)系統(tǒng)的冷媒引?，冷媒在蒸發(fā)器中吸收電池冷

卻回路中傳遞過來的熱量并將熱量帶?，以達(dá)到冷卻動(dòng)?電池的?的。其結(jié)構(gòu)?般由?個(gè)換熱器主體，

如下“chiller的?作原理”圖所?，?層層的板式換熱?堆疊組成chiller中換熱器的主體，冷卻液和冷媒以

對(duì)流的形式在其內(nèi)部流動(dòng)。在換熱器主體中，冷卻液和冷媒隔層間隔開，相互形成三明治結(jié)構(gòu)。對(duì)流過

程中熱量從冷卻液轉(zhuǎn)移到冷媒上，以實(shí)現(xiàn)換熱。電池冷卻的效率由Chiller的功率??、?泵功率的?

?、冷卻液流速、冷媒流速等因素決定。

液冷?案的典型代表如特斯拉、通?沃藍(lán)達(dá)（Volt）等車型。如圖4所?，Volt采?288節(jié)45Ah的層疊式

鋰離?電池；并在單體電池間間隔布置了?屬散熱?（厚度為1 mm），散熱?上刻有流道槽。冷卻液可

在流道槽內(nèi)流動(dòng)帶?熱量。在低溫環(huán)境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。

圖4 volt電池?zé)峁芾淼脑韴D及實(shí)物圖

如圖5所?，與VOLT的并?流道不同，由于特斯拉采?的圓柱形電芯，因此將冷板安裝于18650電池的

間隙，形成了串?的冷卻流道。雖然冷板的設(shè)計(jì)布置難度較?且蛇形冷板在?定程度上增加了液冷系統(tǒng)

的壓?損失，但是其冷卻效果做的相當(dāng)好，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池包的溫度在正負(fù)2℃以內(nèi)。?者的冷卻系統(tǒng)對(duì)

?如表a所?。

圖5 特斯拉電池?zé)峁芾淼脑韴D及實(shí)物圖

表a 特斯拉與沃蘭達(dá)的冷卻系統(tǒng)對(duì)?

某混動(dòng)車型的電池?zé)峁芾碓韴D及?作模式如圖所?。

混動(dòng)車輛電池?zé)峁芾砉苈吩韴D

1、電池冷卻液罐， 2、電池冷卻管路?泵， 3、電池PTC加熱器， 4、電池冷卻液進(jìn)?溫度傳感器，

5、動(dòng)?電池， 6、電池冷去也出?溫度傳感器， 7、四通閥， 8、電池冷卻器（chiller）， 9、電池散熱

器， 10、??溫度傳感器， 11、冷凝器， 12、?壓側(cè)制冷劑壓?傳感器， 13、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，

14、制冷劑壓?傳感器， 15、熱膨脹閥， 16、乘客艙蒸發(fā)器， 17、熱膨脹閥，18、冷卻風(fēng)扇

模式?：當(dāng)電池的溫度處于正常范圍時(shí)，不需要加熱或冷卻時(shí)，?泵驅(qū)動(dòng)使電池冷卻液在電池內(nèi)部循

環(huán)，此時(shí)主要?的是使電池內(nèi)部的溫度保持盡可能?致。

模式?：當(dāng)電池的溫度較低，需要加熱時(shí)，電動(dòng)PTC打開，給冷卻液加熱，通過圖?的循環(huán)完成對(duì)電池

的加熱。

模式三：當(dāng)外界溫度不算太?，電池需要加熱時(shí)，四通閥切換到電池散熱器的管路，如圖所?。此模式

下冷卻液的熱量主要通過電池散熱器散發(fā)到空?中。

模式四:在較?的環(huán)境溫度，電池需要散熱，且僅通過散熱器不能滿?要求是，四通閥切換到chiller的管

路，如圖。此模式下冷卻液的熱量通過chiller傳遞給制冷劑，制冷劑再傳遞到空?中。

液冷系統(tǒng)的形式?較靈活，可以在電池模塊間設(shè)置冷卻流道（?前是主流），也可以在電池底部使?冷

卻板，或者將電芯或模組沉浸在冷卻液中。液冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于換熱系數(shù)?，速率快，均溫性好，能實(shí)

現(xiàn)較精確的溫度控制；缺點(diǎn)是系統(tǒng)?較復(fù)雜，系統(tǒng)的密封性要求?，冷卻系統(tǒng)占了電池包的相當(dāng)?部分

3、直冷系統(tǒng)：

直冷系統(tǒng)是利?空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑直接冷卻動(dòng)?電池的，原理圖如圖11所?。將空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器直接

安裝在電池系統(tǒng)中，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)直接將電池系統(tǒng)產(chǎn)?的熱量帶?，從?實(shí)現(xiàn)更快、更有效地

冷卻過程。

圖11 直冷系統(tǒng)原理圖

?前采?直冷冷卻的車型還較少，最典型的如BMW i3。由于沒有液體的中間換熱，因此制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

緊湊，冷卻效率更?（?液冷?出3~4倍），成本相對(duì)較?。但存在的問題在于由于制冷劑在管路內(nèi)?液

態(tài)轉(zhuǎn)化，整個(gè)系統(tǒng)的控制?較復(fù)雜，均溫性較差。且對(duì)系統(tǒng)的耐?壓和密封等均具有較?要求，在整車

上應(yīng)?的風(fēng)險(xiǎn)較?。

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