最近這天,，越來(lái)越熱,，就像小姐姐的身材，火辣而熱烈,，讓老司機(jī)們“躁動(dòng)不安”,，其實(shí)隨著天氣變熱，汽車電池?zé)峁芾硪驳煤煤霉芄?，不能太熱,，容易能量失衡呀，哈哈?/span>

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電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在不遠(yuǎn)的未來(lái)，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(zhǎng)久續(xù)航的問(wèn)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,。

在說(shuō)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)前，我們先從電池管理系統(tǒng)說(shuō)起,，在談?wù)劅峁芾?，這樣就對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有了詳細(xì)的了解和認(rèn)識(shí)。

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(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(guò)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(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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)程中的不當(dāng)操作等可能造成電池局部過(guò)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(guò)高或過(guò)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(guò)高等問(wèn)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(wèn)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(guò)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(méi)有電池制熱、沒(méi)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(guò)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(jiǎn)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(guó)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(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(jiǎn)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)的設(shè)計(jì)主要講講設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)要求,、關(guān)鍵技術(shù)及性能評(píng)估,，接下來(lái)我們就一點(diǎn)一點(diǎn)來(lái)看看吧！

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(lái)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(wèn)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(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(shuō)明電池內(nèi)部的熱狀態(tài), 因此需要通過(guò)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(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)造成部分電池過(guò)充電或者過(guò)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,。

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(shuō)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。

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(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(guò)風(fēng)扇產(chǎn)生,，也可以利用汽車行進(jìn)過(guò)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(jiǎn)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(lái)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(lái)說(shuō),，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(zhǎng)，僅用空氣冷卻已經(jīng)無(wú)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(guó)外對(duì)水冷技術(shù)研究較早，應(yīng)用時(shí)間也較長(zhǎng),，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(guò)新材料的應(yīng)用，國(guó)外水冷系統(tǒng)的重量也有所減輕,。

目前國(guó)外主要在特斯拉,、通用沃藍(lán)達(dá)（Volt）、法國(guó)標(biāo)致雪鐵龍,、寶馬i3等汽車品牌中采用水冷技術(shù),。

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),。

1）相變材料

相變材料( Phase Change Material，PCM) 是一種能夠利用其自身的相變潛熱吸收或釋放系統(tǒng)熱能的材料，它的特點(diǎn)是可以幾乎無(wú)限期循環(huán)使用,。

相變材料指在其物相變化過(guò)程中,，可以從外界環(huán)境吸收熱量或者向外界環(huán)境放出熱量，從而達(dá)到通過(guò)能量交換控制環(huán)境溫度和利用能量目的的一種材料,。相變材料發(fā)生物理變化時(shí)把大量相變熱轉(zhuǎn)移到環(huán)境中,，產(chǎn)生了一個(gè)寬的溫度平臺(tái)，延長(zhǎng)了恒溫的時(shí)間,。

理想的相變材料一般符合以下三個(gè)方面的要求：

A. 熱導(dǎo)率高

熱量的存入和取出容易,。

B. 性能穩(wěn)定

不發(fā)生熔析和副反應(yīng)，且材料各狀態(tài)的密度大,，體積穩(wěn)定,。

C. 材料價(jià)格便宜

相變材料儲(chǔ)量豐富。

2）應(yīng)用

采用PCM材料的熱管理系統(tǒng)是通過(guò)PCM材料在相變過(guò)程中的潛熱在電池升溫時(shí)來(lái)吸收電池的熱量,，減小單體電池之間溫度差,；在電池工作溫度過(guò)低時(shí)釋放熱量，對(duì)電池起到保溫作用,，從而提高電池在寒冷條件下的性能,。無(wú)論從節(jié)能角度還是從續(xù)駛里程角度考慮，采用PCM材料作為傳熱介質(zhì)較前兩種方法具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),，是目前動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的首選材料,。

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(zhǎng)效運(yùn)行帶來(lái)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,。

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