新能源純電動(dòng)汽車中如何實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與發(fā)展分析

新能源車熱管理系統(tǒng)技術(shù)迭代的目的在于實(shí)現(xiàn)各回路熱量與冷量需求的內(nèi)部匹配，能耗最優(yōu)，降低電 池能耗實(shí)現(xiàn)制冷與制熱功能;純電動(dòng)車型的熱管理回路主要包括汽車空調(diào)回路(駕駛艙熱管理回路)、電池?zé)峁芾砘芈?，電機(jī)熱管理回路。

其中，空調(diào)制暖回路可以通過 PTC或熱泵產(chǎn)生熱量、空調(diào)制冷回路可以 產(chǎn)生冷量;電池?zé)峁芾砘芈房僧a(chǎn)生熱量，但在不同情況下既需要被制冷又需要被制熱;電機(jī)熱管理回路可產(chǎn)生熱量，主要需要被制冷。如果我們按照熱量與冷量的供給和需求角度去劃分各個(gè)回路： 熱量供給方：空調(diào)制暖回路、電池?zé)峁芾砘芈?、電機(jī)(或電驅(qū)動(dòng))熱管理回路; 冷量供給方：空調(diào)制冷回路; 熱量需求方：駕駛艙、電池?zé)峁芾砘芈? 冷量需求方：駕駛艙、電池?zé)峁芾砘芈?、電機(jī)熱管理回路。

熱管理系統(tǒng)升級(jí)可提升新能源汽車整車?yán)m(xù)航里程和車主駕駛體驗(yàn)。

1)高效的熱管理技術(shù)能夠降低整 車能耗，在不增加動(dòng)力電池容量的情況下提升續(xù)航里程。同時(shí)，汽車空調(diào)系統(tǒng)能夠通過調(diào)節(jié) PTC 功率或者 熱泵功率保持汽車座艙恒溫，使得乘客體感溫度舒適;

2)通過對(duì)熱管理回路結(jié)構(gòu)差異、零部件增減量拆 分來看，新能源車熱管理系統(tǒng)單車價(jià)值量可達(dá) 5000-10000 元(含熱泵)，顯著高于傳統(tǒng)燃油車一般不高于 2500 元的價(jià)值量。隨著熱管理技術(shù)、集成化程度、冷媒介質(zhì)等解決方案升級(jí)，有望驅(qū)動(dòng)熱管理單車價(jià)值量提升。

通過分析梳理熱管理技術(shù)解決方案迭代變化歷史，我們發(fā)現(xiàn)行業(yè)在加速成長期具備二大特征： 第一，目前國內(nèi)主流主機(jī)廠已完成熱管理基本功能實(shí)現(xiàn)，但熱管理技術(shù)仍在不斷創(chuàng)新和迭代。

通過梳理特 斯拉、豐田等強(qiáng)勢(shì)主機(jī)廠和三花、銀輪等熱管理廠商的技術(shù)路線，我們認(rèn)為熱泵空調(diào)及集成控制等技術(shù)迭代方向明確。

目前，領(lǐng)先的主機(jī)廠的電機(jī)熱管理、電池?zé)峁芾砗妥摕峁芾砭蜒苌隽说诙?、三代技術(shù)，且每一代技術(shù)對(duì)于軟件和硬件的集成要求都更高。以電機(jī)熱管理的主動(dòng)液冷技術(shù)為例，為了快速冷卻電機(jī)，車載電腦需要根據(jù)預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)回路中冷卻液流量大小，并可根據(jù)電池包熱量決定是否通過四通閥 將電池回路和電機(jī)回路進(jìn)行串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)更高效的集成熱管理控制。

我們認(rèn)為，新能源汽車熱管理方案的技術(shù)趨勢(shì)是通過集成或改變各回路的連接方式等方式，實(shí)現(xiàn)各熱管理回路內(nèi)部能耗最優(yōu)，盡可能減少對(duì)于 電池能耗的依賴。

第二，主機(jī)廠主導(dǎo)熱管理解決方案開發(fā)，定制化特征顯著;政策層面無明確熱管理技術(shù)路線指引;通過整理工信部、市場(chǎng)監(jiān)管總局等監(jiān)管部門的政策，我們發(fā)現(xiàn)國家政策對(duì)技術(shù)指引較少，主要聚焦于新能源整車及電池安全上。

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的能量來源，在充放電過程中電池本身會(huì)伴隨產(chǎn)生一定熱量，從而導(dǎo)致溫度上升，而溫度升高會(huì)影響電池的很多工作特性參數(shù)，如內(nèi)阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。電池?zé)嵝?yīng)問題也會(huì)影響到整車的性能和循環(huán)壽命，因此，做好熱管理對(duì)電池的性能、壽命至整車行駛里程都十分重要。

今天，就從電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及設(shè)計(jì)流程、零部件類型及選型、熱管理系統(tǒng)性能及驗(yàn)證等幾個(gè)方面來和大家聊一聊：

01 動(dòng)力電池?zé)峁芾肀匾?

1、電池?zé)崃康漠a(chǎn)生

由于電池阻抗的存在，在電池充放電過程中，電流通過電池導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量。另外，由于電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)也會(huì)造成一定的生熱量。

2、溫度升高對(duì)電池壽命的影響

溫度的升高對(duì)電池的日歷壽命和循環(huán)壽命都有影響。

從上面兩個(gè)圖可以看出，溫度對(duì)電池的日歷壽命有很大的影響。同樣的電芯，在環(huán)境溫度23℃，6238天后電池的剩余容量為80%，但是電池在55℃的環(huán)境下，272天后電池的剩余容量已經(jīng)達(dá)到80%。溫度升高32℃，電芯的日歷壽命下降了95%以上。因此，溫度對(duì)日歷壽命的影響極大，溫度越高日歷壽命衰退越嚴(yán)重。

從上面兩個(gè)圖可以看出，溫度對(duì)電池的循環(huán)壽命也有很大的影響。同一款電芯，當(dāng)剩余容量為90%，25℃溫度下輸出容量為300kWh，而35℃溫度下的輸出容量僅為163kWh。溫度上升10℃ ，電芯的循環(huán)壽命下降了近50%。由此可見，溫度對(duì)電池的循環(huán)壽命有很大的影響。

因此，為了電池包性能的最優(yōu)化，需要設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)確保各電芯工作在一個(gè)合理的溫度范圍內(nèi)。

02 熱管理系統(tǒng)的分類及介紹

不同的熱管理系統(tǒng)，零部件類型的結(jié)構(gòu)不同、重量不同以及系統(tǒng)的成本不同和控制方式不同，使得系統(tǒng)所達(dá)到的性能也不相同。主要有如下五大類：

1、直冷系統(tǒng)

直冷系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、重量輕以及性能好的優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)是一個(gè)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)、系統(tǒng)沒有電池制熱、沒有冷凝水保護(hù)、制冷劑溫度不易控制且制冷劑系統(tǒng)壽命短。

2、低溫散熱器冷卻系統(tǒng)

低溫散熱器冷卻系統(tǒng)是電池的一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)，由散熱器、水泵和加熱器組成。該冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、成本低、低溫環(huán)境下經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)有著冷卻性能低、夏天水溫高、應(yīng)用受天氣限制等缺點(diǎn)。

3、直接冷卻水冷卻系統(tǒng)

直接冷卻水冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、冷卻性能好以及工業(yè)應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)零部件比直冷多、系統(tǒng)復(fù)雜、燃料經(jīng)濟(jì)性差且壓縮機(jī)負(fù)荷高。此類型的冷卻系統(tǒng)是目前最常用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)之一。

4、空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)

空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)中有兩個(gè)關(guān)鍵零部件：

1)水冷電池冷卻器;

2)空冷電池散熱器。

空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、性能好且低溫環(huán)境下經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、控制復(fù)雜且可靠性要求高。

5、直接空氣冷卻系統(tǒng)

此系統(tǒng)利用駕駛艙的低溫空氣對(duì)電池進(jìn)行冷卻。

直接空氣冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、空氣溫度可控以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)并不是對(duì)所有類型的電芯都適合，浸濕后回復(fù)慢且電池內(nèi)部會(huì)有污染的風(fēng)險(xiǎn)。

在不遠(yuǎn)的未來，馬路上奔跑的汽油燃油車將逐漸被電力驅(qū)動(dòng)的新能源汽車代替。對(duì)于新能源汽車能否長久續(xù)航的問題，最為關(guān)鍵的部件是車輛的電池。電池的狀態(tài)、溫度、溫度場(chǎng)的均勻性等都對(duì)蓄電池的性能和壽命具有很大影響。

電池?zé)嵯到y(tǒng)管理是對(duì)電池散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與散熱性能的預(yù)測(cè)，對(duì)提高混合動(dòng)力汽車及動(dòng)力電池的成熟度及可靠性有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

1電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)(BMS)是連接車載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車的重要紐帶。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力輸出依靠電池，而電池管理系統(tǒng)則是其中的核心，負(fù)責(zé)控制電池的充電和放電以及實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)估算等功能。

2熱管理系統(tǒng)

車輛熱管理指從系統(tǒng)集成和整體角度，統(tǒng)籌熱管理系統(tǒng)與熱管理對(duì)象、整車的關(guān)系，采用綜合控制和系統(tǒng)管理的方法，將各個(gè)系統(tǒng)或部件集成一個(gè)有效的熱管理系統(tǒng)，控制和優(yōu)化車輛的熱傳遞過程。換言之則是系統(tǒng)管理車輛各個(gè)部位的熱能，能有效降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染。

3電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

綜合以上對(duì)于電池管理系統(tǒng)及熱管理系統(tǒng)的描述，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可視為電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的交集。

1)必要性

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)，指通過導(dǎo)熱介質(zhì)、測(cè)控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使動(dòng)力電池工作在合適的溫度范圍之內(nèi)，以維持其最佳的使用狀態(tài)。電池的熱相關(guān)問題很大程度決定了電池系統(tǒng)的性能和壽命。

A.電池能量與功率性能

溫度較低時(shí)，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，在過低溫度下(如低于0℃)對(duì)電池進(jìn)行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現(xiàn)象，造成內(nèi)部短路。

B.電池的安全性

生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用過程中的不當(dāng)操作等可能造成電池局部過熱，并進(jìn)而引|起連鎖放熱反應(yīng)，最終造成煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)重的熱失控事件。

C.電池使用壽命

電池的適宜溫度約在10~30℃之間，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動(dòng)力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對(duì)減小，電池內(nèi)部熱量不易散出，更可能出現(xiàn)內(nèi)部溫度不均、局部溫升過高等問題，從而進(jìn)一步加速電池衰減，縮短電池壽命。

2)功能

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是應(yīng)對(duì)電池的熱相關(guān)問題，主要功能包括：

A. 散熱:在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故;

B. 預(yù)熱:在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性;

C. 溫度均衡:減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫位置處電池過快衰減，以提高電池組整體壽命。

3)分類

A. 直冷系統(tǒng)

直冷系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、重量輕以及性能好的優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)是一個(gè)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)、系統(tǒng)沒有電池制熱、沒有冷凝水保護(hù)、制冷劑溫度不易控制且制冷劑系統(tǒng)壽命短。目前通過直冷的冷卻方式基本在電動(dòng)乘用車上，最典型的如BMW i3(i3有液冷、直冷兩種冷卻方案)。

B. 低溫散熱器冷卻系統(tǒng)

低溫散熱器冷卻系統(tǒng)是電池的一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)，由散熱器、水泵和加熱器組成。該冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、成本低、低溫環(huán)境下經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)有著冷卻性能低、夏天水溫高、應(yīng)用受天氣限制等缺點(diǎn)。

C. 直接冷卻水冷卻系統(tǒng)

液冷是目前許多電動(dòng)乘用車的優(yōu)選方案，國內(nèi)外的典型產(chǎn)品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍(lán)達(dá)(Volt)、華晨寶馬之諾、吉利帝豪EV。直接冷卻水冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、冷卻性能好以及工業(yè)應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)零部件比直冷多、系統(tǒng)復(fù)雜、燃料經(jīng)濟(jì)性差且壓縮機(jī)負(fù)荷高。此類型的冷卻系統(tǒng)是目前最常用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)之一。

D. 空冷/水冷混合冷卻系

空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)中有兩個(gè)關(guān)鍵零部件，即水冷電池冷卻器和空冷電池散熱器?？绽?水冷混合冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、性能好且低溫環(huán)境下經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、控制復(fù)雜且可靠性要求高。

E. 直接空氣冷卻系統(tǒng)

此系統(tǒng)利用駕駛艙的低溫空氣對(duì)電池進(jìn)行冷卻。在早期的電動(dòng)乘用車應(yīng)用廣泛，如日產(chǎn)聆風(fēng)(Nissan Leaf)、起亞Soul EV等，在目前的電動(dòng)巴士、電動(dòng)物流車中也被廣泛采納。直接空氣冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、空氣溫度可控以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)并不是對(duì)所有類型的電芯都適合，浸濕后回復(fù)慢且電池內(nèi)部會(huì)有污染的風(fēng)險(xiǎn)。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

1設(shè)計(jì)流程

2設(shè)計(jì)要求

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)流程應(yīng)與電池包開發(fā)流程保持一致，必須嚴(yán)格按照電池?zé)峁芾頇C(jī)組的設(shè)計(jì)流程。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)流程應(yīng)與電池包開發(fā)流程保持一致，必須嚴(yán)格按照電池?zé)峁芾頇C(jī)組的設(shè)計(jì)流程、零部件選型及機(jī)組性能評(píng)估等多個(gè)方面來驗(yàn)證其性能及功能的可靠性。一個(gè)性能卓越、可靠性高的熱管理機(jī)組才能保證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的穩(wěn)定與安全 。同時(shí)從現(xiàn)實(shí)角度出發(fā)要注意熱管理系統(tǒng)的造價(jià)成本、所處環(huán)境及所占面積等多方面的問題。

3關(guān)鍵技術(shù)

1)確定電池最優(yōu)工作溫度范圍

電池組熱管理系統(tǒng)要確保電池組始終在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行, 并且盡量將電池組的工作溫度保持在最優(yōu)的工作溫度范圍內(nèi)。因此確定電池最優(yōu)工作溫度范圍為設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。最優(yōu)工作溫度范圍可以由電池制造者提供, 也可以由電池使用者通過實(shí)驗(yàn)來確定。

2)電池?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)

由于電池不是熱的良導(dǎo)體, 僅得知電池表面溫度分布不能充分說明電池內(nèi)部的熱狀態(tài), 因此需要通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算電池內(nèi)部的溫度場(chǎng), 預(yù)測(cè)電池的熱行為。

3)傳熱介質(zhì)選擇

傳熱介質(zhì)應(yīng)該在設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)前進(jìn)行確定，傳熱介質(zhì)決定了熱管理系統(tǒng)的冷卻方式(空冷、液冷、相變材料冷卻)。很大程度上傳熱介質(zhì)決定了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的效率，對(duì)換熱、傳熱以及系統(tǒng)環(huán)境都有很大影響。

4)熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

優(yōu)良的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將改善電池箱內(nèi)不同電池模塊之間具有的溫度差異，這種溫度差異會(huì)加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性，如果長時(shí)間積累會(huì)造成部分電池過充電或者過放電，進(jìn)而影響電池的壽命與性能，并造成安全隱患。在進(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)計(jì)時(shí), 要盡量保證電池組散熱的均勻性。

并行通風(fēng) 單行通風(fēng)

5)風(fēng)機(jī)與測(cè)溫點(diǎn)選擇

對(duì)風(fēng)機(jī)，在保證一定散熱效果的情況下，應(yīng)該盡量減小流動(dòng)阻力，降低風(fēng)機(jī)噪音和功率消耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。對(duì)測(cè)溫點(diǎn)，由于電池箱內(nèi)電池組的溫度分布一般是不均勻的，所以說為了保證電池的正常工作，需要確定電池箱中可能造成危險(xiǎn)的溫度點(diǎn)。一方面測(cè)溫傳感器要全面反映電池的運(yùn)作狀態(tài)，且要考慮傳感器失效的情況，另一方面又要考慮成本，因此溫度傳感器的數(shù)量應(yīng)該設(shè)計(jì)得適量。

主要技術(shù)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要技術(shù)有空氣冷卻技術(shù)、液體冷卻技術(shù)、相變材料冷卻技術(shù)及熱管理冷卻技術(shù)。

1空氣冷卻技術(shù)

目前對(duì)空氣冷卻式熱管理系統(tǒng)的研究主要包括電池排列方式、電池間距、風(fēng)道、風(fēng)速或風(fēng)量等因素對(duì)系統(tǒng)熱管理能力的影響。風(fēng)冷技術(shù)是目前新能源動(dòng)力電池中應(yīng)用最廣泛的散熱技術(shù)。

強(qiáng)制氣流可以通過風(fēng)扇產(chǎn)生，也可以利用汽車行進(jìn)過程中的迎面風(fēng)或者壓縮空氣等產(chǎn)生。與其他技術(shù)相比，風(fēng)冷技術(shù)相對(duì)簡單、安全，維護(hù)也方便。日本豐田公司的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Prius和本田公司的Insight都采用了風(fēng)冷的形式，尼桑、通用等汽車公司研制的熱管理系統(tǒng)主要采用強(qiáng)制風(fēng)冷形式。但隨著鋰離子的電池?zé)嶝?fù)荷越來越大，傳統(tǒng)的強(qiáng)制空冷也已逐漸不能滿足要求。對(duì)于大規(guī)模的鋰離子電池來說，由于其熱導(dǎo)率較低，電池排列緊密，電池箱體空間有限，熱傳導(dǎo)的弛豫時(shí)間較長，僅用空氣冷卻已經(jīng)無法達(dá)到預(yù)期要求。

2液體冷卻技術(shù)

水冷技術(shù)是基于液體熱交換的冷卻技術(shù)。國外對(duì)水冷技術(shù)研究較早，應(yīng)用時(shí)間也較長，并且隨著不斷的探索、實(shí)踐與改進(jìn)，系統(tǒng)的熱交換系數(shù)以及冷卻加熱速度均已達(dá)到了較好的水平，并且通過新材料的應(yīng)用，國外水冷系統(tǒng)的重量也有所減輕。

特斯拉Model S車型采用的就是水冷技術(shù)對(duì)電池進(jìn)行降溫。特斯拉在其電池排布、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)上進(jìn)行了非常深入的設(shè)計(jì)，以保證每個(gè)電池單元都在監(jiān)管之下，其狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠被隨時(shí)反饋、處理。對(duì)于單個(gè)體積很小的電池單元，特斯拉將其獨(dú)立封閉在鋼制隔間里，同時(shí)液冷系統(tǒng)可以具體到為每一個(gè)電池單元進(jìn)行冷卻，降低彼此的溫差，也相對(duì)降低了電池自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

3熱管冷卻技術(shù)

1)熱管

熱管又稱熱導(dǎo)管或超導(dǎo)管， 是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件，分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，在快速傳熱的方面，熱管擁有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

2)應(yīng)用

熱管是一種較好的熱橋，以其多樣化的形式和靈活的布置位置結(jié)合其他強(qiáng)制冷卻方式，能在冷卻中獲得較好的效果，尤其是小型熱管技術(shù)的發(fā)展，能給動(dòng)力電池的安全長效運(yùn)行帶來更大的發(fā)展空間。

對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)，一方面是在傳統(tǒng)的工作方式基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提高其工作性能。另一方面更要在熱管等新材料的方面進(jìn)行研究。對(duì)熱的有效控制是關(guān)系到性能持續(xù)提升和市場(chǎng)擴(kuò)大的關(guān)鍵，這方面的發(fā)展將很大程度影響到新能源汽車的發(fā)展和推廣。