動力電池熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：調(diào)整電池溫度，使其保持在電池適宜工作的溫度范圍；減小電池包內(nèi)最高溫度和最低溫度的差異。

1液冷系統(tǒng)組成

液冷系統(tǒng)，是當(dāng)前動力電池?zé)峁芾淼臒衢T研究方向，利用冷卻液熱容量大且通過循環(huán)可以帶走電池系統(tǒng)多余熱量的性能，實(shí)現(xiàn)電池包的最佳工作溫度條件。

液冷統(tǒng)的基本組成包括：電動水泵，電芯散熱器（間接冷卻），溫度傳感器，空調(diào)系統(tǒng)（壓縮機(jī)，冷凝器，蒸發(fā)器）、加熱器，液液熱交換器。

其中，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)高溫工況提供冷卻功能；加熱器，低溫工況，負(fù)責(zé)給冷卻液加熱。

2熱傳遞原理

熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是轉(zhuǎn)移動力電池在充放電過程中的多余熱量，保持電池在適宜的范圍內(nèi)工作，并且不同位置的電芯，溫度差異不能太大。這樣，既可以減緩電池的老化速度，又可以減緩不同電芯之間的差異化程度的加深。

之所以存在著空氣冷卻、液冷等不同的冷卻形式，主要是熱量傳遞的介質(zhì)不同，原理上，需要從熱量的不同傳遞方式說起。熱量的傳播，主要的存在著三種形式：熱輻射、熱傳導(dǎo)和對流。

熱輻射：溫度高于絕對零度的物體都在進(jìn)行熱輻射，熱輻射不需要介質(zhì)不需要接觸，以電磁波的形式向外傳遞熱量。太陽傳遞給地球的熱量就是熱輻射的典型過程。

熱傳導(dǎo)：熱量通過介質(zhì)，從高溫區(qū)域傳遞至低溫區(qū)域的過程。與熱輻射不同的是熱傳導(dǎo)需要存在兩個條件：溫差和介質(zhì)。

對流：流體內(nèi)部，由溫差驅(qū)動的相對流動。

熱量，在動力電池單體內(nèi)部，主要以熱傳導(dǎo)的方式向電池表面?zhèn)鬟f，再以輻射和對流的方式向周圍空間傳播。如果系統(tǒng)中加入了熱管理系統(tǒng)，則傳熱過程被部分的改變。比如間接散熱方式，熱量從電池表面，主要以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給散熱器殼體，再由殼體以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到散熱器流道表面；熱量從流道表面熱傳導(dǎo)的方式傳遞給冷卻液，冷卻液以對流的方式將熱量在冷卻液內(nèi)部傳遞，并跟隨冷卻液的受迫流動傳遞至電池包外部。

3電池包的熱管理方案

電池包的熱管理方案，涉及到三個方面的措施：電池組的冷卻、電池組低溫預(yù)熱、電池組保溫。

電池組的冷卻

液冷系統(tǒng)的冷卻功能，主要以循環(huán)低溫冷卻液的方式實(shí)現(xiàn)。如果出現(xiàn)所需散熱功率比較小的情形，由于冷卻液自身熱容量比較大，則可以不必起動循環(huán)過程，已經(jīng)可以滿足設(shè)定的溫度范圍要求。

電池組冷卻的形式主要有兩種，直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻，是冷卻介質(zhì)直接從電芯表面流過，帶走多余熱量；間接冷卻，是冷卻介質(zhì)在管道和散熱器的流道中流過，散熱器與電芯接觸，將電芯熱量傳遞給冷卻介質(zhì)。

電池組的低溫預(yù)熱

本來，壓縮機(jī)可以具備制熱功能，但其低溫制熱效果不佳，且耗電量比較大，對于動力電池的續(xù)航能力造成很大的影響；同時，溫度過低環(huán)境下，電池包放電功率過低或者根本低于放電最低溫度而無法放電。因此給熱管理策略中設(shè)計(jì)了汽車起動之前的預(yù)熱過程。

電池組低溫預(yù)熱，有兩種基本形式：內(nèi)部加熱和外部加熱。

內(nèi)部加熱，利用電池包外部的交流電源，給電池電解液加熱，直至達(dá)到電池包適用的溫度范圍為止。生熱的部件是電池自身，因此稱為內(nèi)部加熱。

外部加熱，利用外部電源，給電池以外的介質(zhì)加熱，介質(zhì)將熱量傳遞給電池，逐步提高電池溫度，直至電池適宜的溫度范圍。外部介質(zhì)包括空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，生熱的元件有PTC和加熱膜等。

外部加熱是比較常用的方式。一般的實(shí)現(xiàn)形式是，電池包內(nèi)部裝備有加熱器，不使用動力電池的電力，而是在停車狀態(tài)，接通電池包以外的電源，給PTC或者加熱膜供電。外部電源一般都是來自大電網(wǎng)的電能，加熱器可以按照適用的最大功率工作，而不必?fù)?dān)心電能浪費(fèi)的問題，整體加熱速率比較高。

電池組保溫

在低溫地區(qū)應(yīng)用的動力電池包，箱體一般需要設(shè)計(jì)保溫措施，用來減緩預(yù)熱熱量的散失。防止行車途中短時停車時，電池再次降低到工作溫度以下。有實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)境溫度零下20℃，預(yù)熱過程中，將電池加熱至25℃，車輛靜置8小時，溫度下降至18℃左右。

保溫措施并不是每臺具備熱管理功能的車輛都設(shè)置的。車輛預(yù)熱，電池包進(jìn)入工作狀態(tài)以后，電池自身會產(chǎn)生大量的熱，如果不是極寒環(huán)境以及沒有長時間停車的需要，則電池包運(yùn)行溫度可以依靠自身發(fā)熱維持。

4影響冷卻效果的主要因素

冷卻液的溫度。在冷卻過程中，冷卻液的溫度越低，電池的最高和最低溫度都相應(yīng)低，但兩者的差距大。在加熱過程中，冷卻液的溫度越高，則電池的溫差也大。也就是說，冷卻液與電池溫差越大，則會造成電池組內(nèi)部不同位置的電芯產(chǎn)生較大的溫差。

這個現(xiàn)象主要與不同位置電芯受熱管理系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)影響程度不同有關(guān)。有的電芯與散熱器接觸面積大，有的比較小；另一方面，冷卻液在電池包內(nèi)部循環(huán)過程中，從進(jìn)口到出口，溫度一直在發(fā)生變化。在不同位置，冷卻液與相同本體溫度的電芯，溫差反而不同，只有精確的熱設(shè)計(jì)可以解決這個問題，而不是簡單的調(diào)節(jié)冷卻液溫度就能做到的。

冷卻液流量。冷卻液的流量越大在相同時間段內(nèi)帶走的熱量越多。有仿真專門觀察了液冷模型，其他參數(shù)不變，只調(diào)節(jié)冷卻液流量的情況下，冷卻液流量對冷卻效果的影響。隨著冷卻液流量的增加，電池系統(tǒng)的最高溫度在降低，但溫差在增大。越過一個溫差最高點(diǎn)以后，流量繼續(xù)增加，溫差轉(zhuǎn)而開始減小。后面流量繼續(xù)增加的過程中，最高溫度和溫差都單向一直在減小。

流量增加的前半部分過程，最高溫度下降、溫差增加，其原因與冷卻液溫度持續(xù)下降的效果一致，都與具體的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，不同的冷卻效果帶來不同的溫度變化量。在流量增加測試后半部分，隨著流量的增加，溫差開始減小并持續(xù)減小，是因?yàn)椋鋮s液的流量增大到一定程度，相對于冷卻液的吸熱能力，電池傳遞給冷卻液的熱量相對變小。這樣，一方面，對冷卻液的溫度影響變小，距離系統(tǒng)進(jìn)口遠(yuǎn)近不同位置的冷卻液，溫差越來越小；另一方面，不同電芯傳熱面積的差異帶來的傳熱能力的差異，相對也在變小。于是，系統(tǒng)的整體溫差持續(xù)降低。

但流量不可以持續(xù)提升。一方面與消耗能量的大小有關(guān)，必然選擇一個性價比最好的流量。另一方面，長期保持大流量，是對冷卻液循環(huán)系統(tǒng)強(qiáng)度的考驗(yàn)，設(shè)備壽命可能降低，同時，事故風(fēng)險上升。