新能源純電動汽車中如何實現(xiàn)電池熱管理系統(tǒng)的設計與發(fā)展分析

新能源車熱管理系統(tǒng)技術迭代的目的在于實現(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 池能耗實現(xiàn)制冷與制熱功能;純電動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)、電池熱管理回路，電機熱管理回路。

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;電池熱管理回路可產(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回路： 熱量供給方：空調(diào)制暖回路、電池熱管理回路、電機(或電驅(qū)動)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、電池熱管理回路; 冷量需求方：駕駛艙、電池熱管理回路、電機熱管理回路。

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

1)高效的熱管理技術能夠降低整 車能耗，在不增加動力電池容量的情況下提升續(xù)航里程。同時，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)單車價值量可達 5000-10000 元(含熱泵)，顯著高于傳統(tǒng)燃油車一般不高于 2500 元的價值量。隨著熱管理技術、集成化程度、冷媒介質(zhì)等解決方案升級，有望驅(qū)動熱管理單車價值量提升。

通過分析梳理熱管理技術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)主流主機廠已完成熱管理基本功能實現(xiàn)，但熱管理技術仍在不斷創(chuàng)新和迭代。

通過梳理特 斯拉、豐田等強勢主機廠和三花、銀輪等熱管理廠商的技術路線，我們認為熱泵空調(diào)及集成控制等技術迭代方向明確。

目前，領先的主機廠的電機熱管理、電池熱管理和座艙熱管理均已衍生出了第二代、三代技術，且每一代技術對于軟件和硬件的集成要求都更高。以電機熱管理的主動液冷技術為例，為了快速冷卻電機，車載電腦需要根據(jù)預設程序調(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 將電池回路和電機回路進行串聯(lián)，以實現(xiàn)更高效的集成熱管理控制。

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

第二，主機廠主導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路線指引;通過整理工信部、市場監(jiān)管總局等監(jiān)管部門的政策，我們發(fā)現(xiàn)國家政策對技術指引較少，主要聚焦于新能源整車及電池安全上。

動力電池是電動汽車的能量來源，在充放電過程中電池本身會伴隨產(chǎn)生一定熱量，從而導致溫度上升，而溫度升高會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。電池熱效應問題也會影響到整車的性能和循環(huán)壽命，因此，做好熱管理對電池的性能、壽命至整車行駛里程都十分重要。

今天，就從電池熱管理系統(tǒng)及設計流程、零部件類型及選型、熱管理系統(tǒng)性能及驗證等幾個方面來和大家聊一聊：

01 動力電池熱管理必要性

1、電池熱量的產(chǎn)生

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

2、溫度升高對電池壽命的影響

溫度的升高對電池的日歷壽命和循環(huán)壽命都有影響。

從上面兩個圖可以看出，溫度對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，溫度對日歷壽命的影響極大，溫度越高日歷壽命衰退越嚴重。

從上面兩個圖可以看出，溫度對電池的循環(huán)壽命也有很大的影響。同一款電芯，當剩余容量為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，需要設計熱管理系統(tǒng)確保各電芯工作在一個合理的溫度范圍內(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。但是此系統(tǒng)是一個雙蒸發(fā)器系統(tǒng)、系統(tǒng)沒有電池制熱、沒有冷凝水保護、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)是電池的一個單獨系統(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)濟節(jié)能等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)有著冷卻性能低、夏天水溫高、應用受天氣限制等缺點。

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)應用范圍廣等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)零部件比直冷多、系統(tǒng)復雜、燃料經(jīng)濟性差且壓縮機負荷高。此類型的冷卻系統(tǒng)是目前最常用的電池熱管理系統(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)中有兩個關鍵零部件：

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)濟節(jié)能等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)復雜、成本高、控制復雜且可靠性要求高。

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電池進行冷卻。

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。但是此系統(tǒng)并不是對所有類型的電芯都適合，浸濕后回復慢且電池內(nèi)部會有污染的風險。

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

電池熱系統(tǒng)管理是對電池散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計與散熱性能的預測，對提高混合動力汽車及動力電池的成熟度及可靠性有著十分重要的現(xiàn)實意義。

電池熱管理系統(tǒng)

1電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)(BMS)是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。純電動汽車的動力輸出依靠電池，而電池管理系統(tǒng)則是其中的核心，負責控制電池的充電和放電以及實現(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)與熱管理對象、整車的關系，采用綜合控制和系統(tǒng)管理的方法，將各個系統(tǒng)或部件集成一個有效的熱管理系統(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電池熱管理系統(tǒng)

綜合以上對于電池管理系統(tǒng)及熱管理系統(tǒng)的描述，電池熱管理系統(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

電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)，指通過導熱介質(zhì)、測控單元以及溫控設備構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使動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，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℃)對電池進行充電，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操作等可能造成電池局部過熱，并進而引|起連鎖放熱反應，最終造成煙、起火甚至爆炸等嚴重的熱失控事件。

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。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，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，從而進一步加速電池衰減，縮短電池壽命。

2)功能

電池熱管理系統(tǒng)是應對電池的熱相關問題，主要功能包括：

A. 散熱:在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故;

B. 預熱:在電池溫度較低時進行預熱，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。但是此系統(tǒng)是一個雙蒸發(fā)器系統(tǒng)、系統(tǒng)沒有電池制熱、沒有冷凝水保護、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)是電池的一個單獨系統(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)濟節(jié)能等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)有著冷卻性能低、夏天水溫高、應用受天氣限制等缺點。

C. 直接冷卻水冷卻系統(tǒng)

液冷是目前許多電動乘用車的優(yōu)選方案，國內(nèi)外的典型產(chǎn)品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍達(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)應用范圍廣等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)零部件比直冷多、系統(tǒng)復雜、燃料經(jīng)濟性差且壓縮機負荷高。此類型的冷卻系統(tǒng)是目前最常用的電池熱管理系統(tǒng)之一。

D. 空冷/水冷混合冷卻系

空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)中有兩個關鍵零部件，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)濟節(jié)能等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)復雜、成本高、控制復雜且可靠性要求高。

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電池進行冷卻。在早期的電動乘用車應用廣泛，如日產(chǎn)聆風(Nissan Leaf)、起亞Soul EV等，在目前的電動巴士、電動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。但是此系統(tǒng)并不是對所有類型的電芯都適合，浸濕后回復慢且電池內(nèi)部會有污染的風險。

電池熱管理系統(tǒng)設計

1設計流程

2設計要求

電池熱管理系統(tǒng)的開發(fā)流程應與電池包開發(fā)流程保持一致，必須嚴格按照電池熱管理機組的設計流程。電池熱管理系統(tǒng)的開發(fā)流程應與電池包開發(fā)流程保持一致，必須嚴格按照電池熱管理機組的設計流程、零部件選型及機組性能評估等多個方面來驗證其性能及功能的可靠性。一個性能卓越、可靠性高的熱管理機組才能保證電池熱管理系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全 。同時從現(xiàn)實角度出發(fā)要注意熱管理系統(tǒng)的造價成本、所處環(huán)境及所占面積等多方面的問題。

3關鍵技術

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)工作溫度范圍為設計過程中的重要環(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驗來確定。

2)電池熱場計算及溫度預測

由于電池不是熱的良導體, 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)學模型計算電池內(nèi)部的溫度場, 預測電池的熱行為。

3)傳熱介質(zhì)選擇

傳熱介質(zhì)應該在設計熱管理系統(tǒng)前進行確定，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)決定了電池熱管理系統(tǒng)的效率，對換熱、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)設計

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

并行通風 單行通風

5)風機與測溫點選擇

對風機，在保證一定散熱效果的情況下，應該盡量減小流動阻力，降低風機噪音和功率消耗，提高整個系統(tǒng)的效率。對測溫點，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的溫度點。一方面測溫傳感器要全面反映電池的運作狀態(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)量應該設計得適量。

主要技術

電池熱管理系統(tǒng)的主要技術有空氣冷卻技術、液體冷卻技術、相變材料冷卻技術及熱管理冷卻技術。

1空氣冷卻技術

目前對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、風道、風速或風量等因素對系統(tǒng)熱管理能力的影響。風冷技術是目前新能源動力電池中應用最廣泛的散熱技術。

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

2液體冷卻技術

水冷技術是基于液體熱交換的冷卻技術。國外對水冷技術研究較早，應用時間也較長，并且隨著不斷的探索、實踐與改進，系統(tǒng)的熱交換系數(shù)以及冷卻加熱速度均已達到了較好的水平，并且通過新材料的應用，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對電池進行降溫。特斯拉在其電池排布、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)上進行了非常深入的設計，以保證每個電池單元都在監(jiān)管之下，其狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠被隨時反饋、處理。對于單個體積很小的電池單元，特斯拉將其獨立封閉在鋼制隔間里，同時液冷系統(tǒng)可以具體到為每一個電池單元進行冷卻，降低彼此的溫差，也相對降低了電池自燃的風險。

3熱管冷卻技術

1)熱管

熱管又稱熱導管或超導管， 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，熱管擁有極強的優(yōu)勢。

2)應用

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的發(fā)展，能給動力電池的安全長效運行帶來更大的發(fā)展空間。

對電池熱管理系統(tǒng)的設計，一方面是在傳統(tǒng)的工作方式基礎上進行優(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行研究。對熱的有效控制是關系到性能持續(xù)提升和市場擴大的關鍵，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。