電池效能             動力電池熱管理是影響電動汽車電池效能的重要因素，對它的研究有助于電池效能的提高，進而提升電動汽車的整體質量。動力電池熱管理系統設計的總體流程可大致劃分為冷卻系統、加熱系統和保溫系統。本文在介紹電池熱管理系統設計總流程分析的基礎上闡述了相應系統的基本構成結構及功能特性分析。

從宏觀上講，動力電池熱管理是對電池系統內部熱環境進行制約、調節和利用。其目的是為了使動力電池工作在一個最佳的熱環境，充分發揮電池的性能。同時，提供一個能量平衡的環境，實現整車能量的綜合利用。具體而言，熱管理就是在電池系統中溫度過高時，對系統進行降溫；在溫度過低時，對系統進行升溫；在特殊情況下，譬如停車等待過程中，要對系統進行保溫。根據熱管理的不同應用場合和功能，分為冷卻系統、加熱系統和保溫系統。

動力電池熱管理系統設計總體流程



1、確定外部輸入。這一部分通常是指考慮與分析整車使用要求和環境要求，比如功率、能量、放電倍率、行車工況、環境溫度等因素。
2、根據外部輸入確定電池功率需求以及能量需求。
3、計算電池生熱量。通常，電池生熱量可以根據電化學理論、熱力學理論等計算。但在工程中，可以用簡單的焦耳熱去代替。
4、根據車輛使用的環境要求，確定動力電池系統是否需要設計冷卻系統、加熱系統和保溫系統。同時，在冷卻系統設計中要確定是使用自然冷卻方案、強制風冷方案還是強制液冷方案。
5、根據1～4確定設計說明書，如果計算結果超過熱管理設計目標，那么要重新考慮電池選型或者電池熱使用環境。
6、根據設計書進行詳細設計，包括結構設計以及仿真分析。在這一階段，CFD仿真和熱仿真占用了大量時間，結構設計根據仿真結果進行調整與完善。
7、動力電池的試制。
8、動力電池熱管理性能測試，包括冷卻效果測試、加熱效果測試和保溫效果測試三個基本方面。

冷卻系統的基本構成與功能

冷卻系統是動力電池熱管理系統中最重要的組成部分。受制于目前技術瓶頸的限制，動力電池工作的溫度環境要滿足特定的要求。譬如磷酸鐵鋰電池的一般環境溫度為-20℃～60℃。電池在充放電過程中會不斷地產生熱量，電池系統內部溫度很容易超過這一范圍，因此一般的電池系統都需要引入冷卻系統。

根據冷卻介質的不同，冷卻系統通常可分為空氣冷卻、液體風冷和相變液冷三種冷卻方式。這三種冷卻方式的散熱能力是依次增強的。同時，冷卻系統的結構復雜度也依次增加。由于相變冷卻成本比較高，考慮到降低成本的因素，目前工程技術上常采用空氣冷卻和液體冷卻兩種方式。

除了根據冷卻介質區分冷卻系統以外，冷卻系統也常常分為主動冷卻和被動冷卻兩種形式。通常被動冷卻系統直接將電池內部的熱空氣排出車體，而主動冷卻系統通常具有一個內循環系統，并且根據電池系統內部的溫度進行主動調節，以達到最大散熱能力。一般而言，被動冷卻形式具有結構簡單、零部件數量少、成本低等優點，被廣泛用于電池冷卻系統設計中。

無論是空冷系統，還是液冷系統， 完整的冷卻系統應包含以下組成部分：

1、冷卻動力部件，風冷系統主要是風機或風扇；液冷系統是水泵；
2、傳遞路徑，是指冷卻系統介質流經的路徑，風冷系統由風管組成，液冷系統由水管組成；
3、接頭件，由于傳遞路徑不可避開的存在分叉，這些分叉部位需要接頭件進行連接；
4、密封件，通常在進出風口或液體位置進行安裝；
5、其它附件，主要是組成冷卻系統的一些必備連接件、防塵件、卡環等等。

加熱系統的基本構成與功能

一般而言，加熱系統是為了滿足在低溫環境下能夠使電池能正常充電。加熱系統主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最重要的部分。常見的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱為PTC（Positive Temperature Coefficient），后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜，譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。由于汽車地域適用性較為廣泛，在寒冷地區要使電動汽車能正常使用，必須對電池加入額外的加熱系統以滿足要求。

PTC由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其中陶瓷PTC元件較為常用，其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。陶瓷PTC元件通常不能直接用于加熱，而需要設計金屬外殼體，陶瓷PTC通過加熱外殼體而將熱量傳導給其他結構。


（陶瓷PTC）

然而，使用陶瓷PTC作為加熱元件的缺點也很明顯。首先，包含PTC的加熱件體積較大，會占據電池系統內部較大的空間。其次，PTC的外殼是金屬件，會存在絕緣理由。除了常規的陶瓷PTC這類相對硬度較高的材質，還存在一類柔性PTC。柔性PTC是指其PTC的組織結構柔軟、重量輕、厚度小（通常可做到0.5mm以下），它可以根據需要作成任何形狀。這類PTC廣泛的用于汽車坐墊加熱，目前也正逐步在電池加熱中使用。但是，這類PTC加熱器的成本會相對較高。


（絕緣撓性電加熱膜）

絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以根據工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞，并且其厚度可以達到0.25mm左右。硅膠加熱器是傳統金屬加熱器無以倫比的具有柔軟性的薄形面發熱體。它在玻璃纖維布上下二片中夾入硅膠后適壓而成的二片薄片構成，具有良好的傳熱性（標準1.5mm）。由于柔性，它可以與被加熱物體完全密切接觸。這兩種加熱器都屬于恒定電阻加熱器，其安全性要比PTC差些。

保溫系統的基本構成與功能


（動力電池隔熱保溫材料應用）

保溫系統與加熱系統的功能有點類似，但是嚴格地講又有區別。保溫系統更多的情況下是為了滿足短期內電池系統內部溫度熱環境在正常區間內。例如，在冬天低溫下，電動汽車臨時停車2個小時后再工作，那么在2個小時時間內，必須要有保溫系統的作用，以防止電池系統內部溫度過快的下降造成的影響。保溫系統設計通常采用保溫材料或者保溫漆等，起到隔絕的作用，防止電池系統內部溫度過快的散發。

常見動力電池熱管理設計指標

常見的動力電池熱管理的設計指標主要包括以下三類：

1、電池系統熱環境溫度范圍
這是熱管理系統設計的基本指標和要求。不同類型的電池對溫度范圍界定并不相同。根據理論研究與設計經驗，磷酸鐵鋰電池這個設計值的范圍大多落在-30℃～60℃之間。

2、熱環境一致性
該設計指標非常關鍵，是評價冷卻系統優劣的重要技術指標。目前，工程技術上大多取5度范圍內，但由于pack的結構、空間等因素的限制，要滿足5度的設計指標比較困難。

3、低溫加熱溫度制約
對于磷酸鐵鋰電池，低溫充電的性能較弱，因此通常需要引入加熱系統。低溫加熱的溫度制約也是一個重要