汽车动力电池热管理系统分析与设计

科技·探索·争鸣 科技视界 Science & Technology Vision Science & Technology Vision科技视界 0 引言 动力电池热管理（Battery Thermal Management System, BTMS）是汽 车动力电池系统的重要组成部分，它不仅对电池性能、寿命、安全等有 重要影响，而且它是电动汽车整车热管理的重要组成部分，与整车热 管理有着密不可分的关系。 随着电动汽车市场推广程度的逐渐深入， 对电池系统热管理的要求也越来越高。目前已有不少学者对动力电池 热管理系统进行研究。电池生热理论是电池热管理首先需要解决的问 题，这个领域研究较早。 有关研究系统分析了电池散热能力的影响因 素[1]。 有研究提出了 BTMS 的设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，并详细论述了各种散热系统， 包括空冷系统、液冷系统、相变冷却、热管冷却和复合冷却等 [2]。 但是， 该研究仅仅讨论了各种冷却系统，并没有全面分析与探讨完善的热管 理系统。同样地，有些研究把问题焦点集中在电池散热上，包括散热结 构设计、仿真分析等等 [3-4]，很少有研究从总体上较全面的讨论动力电 池热管理系统设计。鉴于此，本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 对动力电池热管理进行系统分析， 并对总体设计做一论述。 1 动力电池热管理系统结构与功能的分析 从宏观上讲， 动力电池热管理是对电池系统内部热环境进行控 制、调节和利用。其目的是为了使动力电池工作在一个最佳的热环境， 充分发挥电池的性能。同时，提供一个能量平衡的环境，实现整车能量 的综合利用。具体而言，热管理就是在电池系统中温度过高时，对系统 进行降温；在温度过低时，对系统进行升温；在特殊情况下，譬如停车 等待过程中，要对系统进行保温。根据热管理的不同应用场合和功能， 分为冷却系统、加热系统和保温系统。 1.1 冷却系统的基本构成与功能 冷却系统是动力电池热管理系统中最重要的组成部分。受制于目 前技术瓶颈的限制，动力电池工作的温度环境要满足特定的要求。 譬 如磷酸铁锂电池的一般环境温度为-20℃～60℃。电池在充放电过程中 会不断地产生热量，电池系统内部温度很容易超过这一范围，因此一 般的电池系统都需要引入冷却系统。 根据冷却介质的不同，冷却系统通常可分为空气冷却、液体风冷 和相变液冷三种冷却方式。 这三种冷却方式的散热能力是依次增强 的。同时，冷却系统的结构复杂度也依次增加。由于相变冷却成本比较 高，考虑到降低成本的因素，目前工程技术上常采用空气冷却和液体 冷却两种方式。 除了根据冷却介质区分冷却系统以外，冷却系统也常常分为主动 冷却和被动冷却两种形式。通常被动冷却系统直接将电池内部的热空 气排出车体，而主动冷却系统通常具有一个内循环系统，并且根据电 池系统内部的温度进行主动调节，以达到最大散热能力。一般而言，被 动冷却形式具有结构简单、零部件数量少、成本低等优点，被广泛用于 电池冷却系统设计中。 无论是空冷系统，还是液冷系统，一个完整的冷却系统应包含以 下组成部分：①冷却动力部件，风冷系统主要是风机或风扇；液冷系统 是水泵；②传递路径，是指冷却系统介质流经的路径，风冷系统由风管 组成，液冷系统由水管组成；③接头件，由于传递路径不可避免的存在 分叉，这些分叉部位需要接头件进行连接；④密封件，通常在进出风口 或液体位置进行安装；⑤其它附件，主要是组成冷却系统的一些必备 连接件、防尘件、卡环等等。 1.2 加热系统的基本构成与功能 一般而言，加热系统是为了满足在低温环境下能够使电池能正常 充电。 加热系统主要由加热元件和电路组成，其中加热元件是最重要 的部分。 常见的加热元件有可变电阻加热元件和恒定电阻加热元件， 前者通常称为 PTC（Positive Temperature Coefficient），后者则是通常由 金属加热丝组成的加热膜，譬如硅胶加热膜、挠性电加热膜等。由于汽 车地域适用性较为广泛，在寒冷地区要使电动汽车能正常使用，必须 对电池加入额外的加热系统以满足要求。 PTC 由于使用安全、热转换效率高、升温迅速、无明火、自动恒温 等特点而被广泛使用。 其中陶瓷 PTC 元件较为常用，其成本较低，对 于目前价格较高的动力电池来说，是一个有利的因素。 陶瓷 PTC 元件 通常不能直接用于加热，而需要设计金属外壳体，陶瓷 PTC 通过加热 外壳体而将热量传导给其他结构。 然而，使用陶瓷 PTC 作为加热元件的缺点也很明显。 首先，包含 PTC 的加热件体积较大，会占据电池系统内部较大的空间。 其次，PTC 的外壳是金属件，会存在绝缘问题。 除了常规的陶瓷 PTC 这类相对硬 度较高的材质，还存在一类柔性 PTC。柔性 PTC 是指其 PTC 的组织结 构柔软、重量轻、厚度小（通常可做到 0.5mm 以下），它可以根据需要 作成任何形状。 这类 PTC 广泛的用于汽车坐垫加热，目前也正逐步在 电池加热中使用。 但是，这类 PTC 加热器的成本会相对较高。 绝缘挠性电加热膜是另一种加热器，它可以根据工件的任意形状 弯曲，确保与工件紧密接触，保证最大的热能传递，并且其厚度可以达 到 0.25mm 左右。 硅胶加热器是传统金属加热器无以伦比的具有柔软 性的薄形面发热体。它在玻璃纤维布上下二片中夹入硅胶后适压而成 的二片薄片构成，具有良好的传热性（标准 1.5mm）。由于柔性，它可以 与被加热物体完全密切接触。 这两种加热器都属于恒定电阻加热器， 其安全性要比 PTC 差些 1.3 保温系统的基本构成与功能 保温系统与加热系统的功能有点类似， 但是严格地讲又有区别。 保温系统更多的情况下是为了满足短期内电池系统内部温度热环境 在正常区间内。例如，在冬天低温下，电动汽车临时停车 2 个小时后再 工作，那么在 2 个小时时间内，必须要有保温系统的作用，以防止电池 系统内部温度过快的下降造成的影响。保温系统设计通常采用保温材 料或者保温漆等，起到隔绝的作用，防止电池系统内部温度过快的散 发。 2 动力电池热管理系统总体设计目标与流程 2.1 动力电池热管理系统设计的基本目标 BTMS 设计首先要提出明确的设计指标，包括定性指标和定量指 标两个方面。通常，定性指标根据实际情况与理论分析，相对比较容易 提炼；而定量指标需要在反复设计、试验以及论证后才能得出比较科 学的数据。同时，在获取各项指标的过程中，不仅包括要考虑与分析电 池系统的结构与功能，还要充分考虑电动汽车整体系统的设计。 目前，常见的热管理的设计指标主要包括以下三类： （1）电池系统热环境温度范围。 这是热管理系统设计的基本指标 汽车动力电池热管理系统分析与设计 徐善红 1 马露杰 2 曾祥兵 1 （1.奇瑞新能源汽车技术有限公司，安徽 芜湖 241000； 2.浙江万向亿能动力电池有限公司，浙江 萧山 311215） 【摘 要】动力电池热管理是影响电动汽车电池效能的重要因素，对它的研究有助于电池效能的提高，进而提升电动汽车的整体质量。动力 电池热管理系统分为冷却系统、加热系统和保温系统，本文分别分析了相应的特性。 在对电池热管理系统分析的基础上，论述了动力电池热管 理系统设计的总体流程。 【关键词】动力电池；动力电池热管理；冷却系统；加热系统；保温系统 作者简介：徐善红（1980—），女，助理工程师，主要从事电动汽车动力系统质量管理与设计。 马露杰（1981—），男，工程师，主要从事电池设计与研究。 曾祥兵（1980—），女，工程师，主要从事电池设计与研究。 规划与设计 360 科技视界 Science & Technology Vision 科技·探索·争鸣 Science & Technology Vision 科技视界 （上接第 346 页） myβ＝ mβ ρ″ ∑R 2 X姨 （mm） 表 1 4.4.2 高程控制测量对高程贯通误差的影响估算 在贯通面上，受洞外或洞内高程控制测量误差影响而产生的高程 中误差为： m△h=M△ L姨 式中，M 为每千米水准测量的偶然中误差，以 mm 计；L 为洞外或 洞内两开挖洞口间高程路线长度的公里数。 【参考文献】 ［1］李辉,李琪,刘庆丰.武广铁路客运专线隧道 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 监测技术 [J].铁道建筑 ,2010 (01). ［2］闫广东,米存芳 .浅谈长大隧道的洞内平面控制测量 [J].城市建设理论研究 , 2011(28). ［责任编辑：曹明明］测量部位 横向中误差（mm） 高程中 误差 mm 相邻两开挖洞口间长度（km） ＜4 4~8 8~10 10~13 13~17 17~20 洞 外 30 45 60 90 120 150 ±18 洞 内 40 60 80 120 160 200 ±17 洞外、洞内总影响 50 75 100 150 200 250 ±25 ● 和要求。 不同类型的电池对温度范围界定并不相同。 根据理论研究与 设计经验， 磷酸铁锂电池这个设计值的范围大多落在-30℃～60℃之 间。 （2）热环境一致性。该设计指标非常关键，是评价冷却系统优劣的 重要技术指标。 目前，工程技术上大多取 5 度范围内，但由于 pack 的 结构、空间等因素的限制，要满足 5 度的设计指标比较困难。 （3）低温加热温度控制。 对于磷酸铁锂电池，低温充电的性能较 弱，因此通常需要引入加热系统。 低温加热的温度控制也是一个重要 的热管理性能指标。 2.2 动力电池热管理系统设计的总体流程 在分析和确定动力电池热管理系统设计目标的基础之上，需要进 行动力电池热管理系统总体思路与流程的设计。动力电池的热管理设 计总体流程如下内容，整个流程如图 1 所示： 图 1 动力电池热管理（BTMS）总体设计流程图 （1）确定外部输入。 这一部分通常是指考虑与分析整车使用要求 和环境要求，比如功率、能量、放电倍率、行车工况、环境温度等因素。 （2）根据外部输入确定电池功率需求以及能量需求。 （3）计算电池生热量。 通常，电池生热量可以根据电化学理论、热 力学理论等计算。 但在工程中，可以用简单的焦耳热去代替。 （4）根据车辆使用的环境要求，确定动力电池系统是否需要设计 冷却系统、加热系统和保温系统。同时，在冷却系统设计中要确定是使 用自然冷却 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、强制风冷方案还是强制液冷方案。 （5）根据 1～4 确定设计说明书，如果计算结果超过热管理设计目 标，那么要重新考虑电池选型或者电池热使用环境。 （6）根据设计书进行详细设计，包括结构设计以及仿真分析。在这 一阶段，CFD 仿真和热仿真占用了大量时间， 结构设计根据仿真结果 进行调整与完善。 （7）动力电池的试制。 （8）动力电池热管理性能测试，包括冷却效果测试、加热效果测试 和保温效果测试三个基本方面。 3 总结 针对目前动力电池热管理研究过于集中冷却系统上，本文从理论 分析与工程技术的角度，完整地讨论与分析了动力电池热管理系统的 各种组成部分与功能，包括冷却系统、加热系统和保温系统。 同时，根 据前人的有关研究与实际设计，对动力电池热管理系统的总体设计流 程进行了分析与阐述，从整体上展现了汽车动力电池热管理系统设计 的基本目标、基本流程与基本要求。 【参考文献】 ［1］林成涛,田光宇,仇斌,等.MH-Ni 动力电池散热能力影响因素分析[J].电源技 术,2008,32(2):115-119. ［2］唐志军,朱群志.热管理技术应用于动力电池的研究[J].电源技术,2013, 37(1): 103-106. ［3］常国峰,陈磊涛,许思传,等.镍氢电池热管理系统结构优化设计[J].同济大学学 报（自然科学版）,2009,37(11):1518-1520. ［4］吴宏,李育隆,杨凯.电动汽车电池箱通风冷却结构的研究[J].汽车工程,2012,34 (6):556-560. ［责任编辑：杨扬］ ● ● ● （上接第 341 页）施工用机具设备及其产品质量优劣，直接影响工程 使用功能。 施工机具设备的类型是否符合 工程施工 建筑工程施工承包1园林工程施工准备消防工程安全技术交底水电安装文明施工建筑工程施工成本控制 特点，性能是否先 进和稳定，操作是否方便、安全等，都将影响工程项目的施工质量。 2.2.4 方法 方法是指施工工艺、操作方法、施工方案。 在工程施工中，施工方 案是否合理，施工工艺是否先进，施工操作是否正确，都将对工程质量 产生重大影响。 推广和采用新技术、新工艺、新方法，不断提高工艺技 术水平，是保证工程质量稳定提高的重要因素。 2.2.5 环境条件 环境条件是指对工程质量特性起重要作用的环境因素， 包括：工 程技术环境、工程作业环境、工程管理环境、周边环境等。 环境条件往 往对工程质量产生特殊的影响。加强环境管理，改善作业条件，把握好 技术环境，辅以必要的措施，是控制环境对质量影响的重要保证。 ［责任编辑：王静］ S 规划与设计 S S 361