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、溫度場的均勻性等都對蓄電池的性能和壽命具有很大影響。

 

 

電池?zé)嵯到y(tǒng)管理是對電池散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與散熱性能的預(yù)測，對提高混合動(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)

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。

  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(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。

 

 

 

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?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/水冷混合冷卻系統(tǒng)

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。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。

 

 

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(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)

 

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。

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)釄鲇?jì)算及溫度預(yù)測

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, 預(yù)測電池的熱行為。

 

 

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)與測溫點(diǎn)選擇

對風(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。對測溫點(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)。

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(fēng)道、風(fēng)速或風(fēng)量等因素對系統(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。

水冷技術(shù)是基于液體熱交換的冷卻技術(shù)。國外對水冷技術(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，也相對降低了電池自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

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。

 

 

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。對熱的有效控制是關(guān)系到性能持續(xù)提升和市場擴(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。