1 熱管理的意義

隨著傳統內燃機汽車所造成的環境問題以及石油資源的緊缺情況日益突出，國家陸續推出相關政策的大力推動電動汽車?近些年電動汽車發展迅猛，產銷規模日益擴大?其中動力電池技術作為電動汽車發展的瓶頸，在電池技術上尋求突破是各大汽車廠商的共同目標?

目前主流的動力電池主要為鎳基電池和鋰電池?其中鋰電池(磷酸鐵鋰?三元鋰等)具有能量密度高?無記憶效應等優點，十分適合乘用車的使用需求，因而是目前各廠商的第一選擇?然而，鋰電池的放電性能具有較高的溫度敏感度，在0~40℃區域，電池的放電性能與使用壽命均較為穩定，一旦超過了這個區間，電池的容量和壽命都會大打折扣?因此在電池充放電過程，需要盡可能將電池電芯溫度控制在0~40℃區域?

由于電動汽車消耗能量較大，往往需要由數百節乃至數千節電芯通過串聯和并聯組合在一起，形成動力電池包進行能量儲存?因此每一節電芯的溫度都需要得到控制?

目前鋰電池的生產一致性依然不夠高，即使同樣的材料?生產工藝和批次生產出來的電池，其放電的能力以及放電過程產生的熱量均有差距?因此現階段的鋰電池電動汽車，必須建立良好的熱管理系統，以保證電池包各單體電芯的性能一致性?工作穩定性?耐久可靠性?

電池熱管理(Battery Thermal Management)，主要指根據電池的電化學特性以及產熱機理，對動力電池各電芯的溫度進行控制，以讓動力電池時刻在最佳溫度范圍工作?

電池熱管理的主要功能包括:

①準確地測量和監控電池的溫度;

②在電池溫度較高時對電池進行散熱;

③在電池溫度較低時對電池進行預熱?

電池熱管理對于目前電動汽車動力電池的能量釋放性能以及使用安全性具有極其重要的意義，因此動力電池熱管理系統的優化設計是電池組良好運行的保證?要驗證熱管理系統設計是否可靠的，可以通過虛擬仿真分析?部件級耐久可靠性試驗以及整車級耐久可靠性試驗等方法來進行?其中整車耐久可靠性試驗是眾多汽車企業的主流驗證方法，可以充分暴露電池熱管理系統各方面可能存在的設計缺陷?

2 熱管理系統設計不良案例

2.1 電池包熱交換設計不良

某項目A是插電混合動力車型，其電池包采用液冷設計，且設計了壓縮機參與熱量交換的快速冷卻功能，在熱管理系統設計上理念較為先進?然而該項目在以高車速/大載荷工況為主的整車動力總成耐久試驗過程，暴露出電池包過熱降功率問題?

在該耐久試驗過程，電池包最高電芯溫度隨著工況的進行而快速上升，當最高電芯溫度上升至38℃時，系統根據策略觸發快速冷卻功能，電池升溫速度雖然開始減緩，但仍在繼續增長?同時電池包內的單體電芯溫差在逐漸拉大?最終最高電芯溫度突破46℃，BMS報電池溫度過高故障，整車進入降功率行駛模式?

產品工程師在分析電池包散熱不良現象過程，初步發現了冷卻液的出水溫度與進水溫度十分接近，結合水流速度計算得出的熱交換量較低，并未達到預期的設計目標?因此聯合供應商對電池包進行拆解分析，最終確認了電池包的冷板存在幾個設計不合理問題?

①冷板僅與電池模組下方一個面接觸，接觸面積過小，導致熱量無法及時傳導到冷板上;

②冷板的水路沒有進行迂回設計，過于筆直，導致冷卻液未能吸收足夠的熱量就快速通過了冷板;

③冷板僅與電池模組下方一個面接觸，模組下方的電芯距離冷板較為接近，冷卻效果較好，而模組上方的電芯距離冷板較遠，冷卻效果較差，很容易導致電芯溫度差變大?

2.2 電池包熱阻值與額定電壓設計不良

某項目B是插電混合動力車型，其電池包與項目A一樣采用具有快冷功能的液冷設計?該項目同時使用了分別來自甲和乙兩家供應商的動力電池?然而兩個不同供應商的電池包在動力總成耐久試驗過程的表現出現了較大的差距，其中乙的電池包在耐久過程頻繁出現過熱降功率現象，而甲的電池包在耐久全過程均未出現降功率現象?暴露出電池包供應商乙的電池包設計經驗不足問題?

對比試驗過程的溫度數據(表2-1)發現如下信息:

①在相同的環境相同的工況以及相同的冷卻條件下，電池包乙的最高溫度比電池包甲高2℃?電池包乙的降功率溫度閾值比電池包甲低2℃，即電池包乙比電池包甲更容易升溫且更容易進入降功率狀態;

②電池包乙的最大電芯溫差明顯比電池包甲要高，說明電池包乙的冷卻均衡能力較弱，熱管理系統設計不佳;

③在電芯溫度上升至38℃進入快冷模式后，電池包乙繼續升溫至46℃觸發降功率模式，并最終開始降溫，這個總過程總用時13min以上?而電池包甲從進入快冷模式到開始降溫，只用了不到2min?

通過分析上述情況，可以得出在同等功率輸出情況下，電池包乙的發熱量比電池包甲大，且熱管理表現低于電池包甲，綜合表現明顯差于電池包甲?

通過分析對比兩家供應商的電池參數，可以發現其表現差異巨大的主要原因是輸出同等功率時電池包乙發熱量明顯比甲高?如表2-2所示，電池包乙的額定電壓比較低，導致輸出同等的功率需要更高的電流，同時電池包乙的熱阻值比電池包甲更高?根據焦耳定律，電流及電阻更高的電池包乙的焦耳熱發熱量要明顯高于電池包甲，而焦耳熱又占了電熱總熱量中較大的比例?因此熱管理系統設計需要在電池包設計初期就進行介入，重點控制電池包的額定電壓和熱阻值，以控制電池包的焦耳熱?

2.3 快冷邏輯設定不良

某項目C是純電車型，其電池包為三元鋰離子電池且與項目A和B一樣采用具有快冷功能的液冷設計?該項目的動力電池散熱效果良好，在各種試驗過程均未出現電池過熱現象，然而仍然暴露出電池熱管理系統設計不良問題?

在以動力總成耐久為代表的短時間內動力電池進行大功率輸出的工況下，電池包最高電芯溫度隨著工況的進行而快速上升，當最高電芯溫度上升至38℃時，快速冷卻模式啟動，電池升溫速度開始減緩，并在上升至45℃后開始下降，期間未達到電池過熱閾值?然后電池開始降溫并將電芯溫度一路下降至33℃后退出快冷模式，電芯溫度重新開始上升，直到快冷模式啟動而進入下一個溫度循環?

在此期間動力電池的溫度在33~45℃之間不停波動，波動范圍為12℃，幅度較大，而鋰離子的電化學特性在10~35℃這一溫度區間內最佳?該溫度波動足以對三元鋰離子電池的放電性能及壽命產生較為顯著的影響?若同時假設電池包的冷卻均衡性不佳，此波動甚至會導致溫度較高的電芯較溫度低的電芯出現更快的容量衰減?因此應該優化快冷模式的控制邏輯，調整快冷模式的退出溫度閾值，同時考慮對冷卻性能進行分擋控制，并針對電池功率輸出情況進行按需冷卻?將動力電池的溫度波動幅度降低下來?

3 熱管理系統應該考慮的因素

以上三個熱管理系統設計不良問題對電池包性能輸出能力與穩定性以及電池包耐久可靠性有不同程度的負面影響，繼而對整車的性能及耐久可靠性產生顯著的負面影響，應在項目初期階段進行改善?規避?故可總結得出以下幾個在熱管理系統設計階段應該考慮的因素?

①電池包本體的冷卻設計應充分考慮冷板等冷卻部件與電池模組的充分接觸以及對電池模組的冷卻均衡程度，盡量提高冷卻效率以及冷卻均衡性;

②電池包的熱阻值以及額定電壓參數對電池包的發熱量影響十分大，熱管理系統設計需要在電池包設計初期就進行介入，重點控制電池包的額定電壓和熱阻值;

③當熱管理系統具備快冷模式且冷卻能力明顯超出電池包的冷卻需求時，設計熱管理系統的控制邏輯需要充分考慮其快冷模式的觸發以及退出節點，以保證電池包的溫度穩定性?

需要注意的是，雖然這三個案例均是通過整車耐久可靠性試驗暴露的，但是若能將整車級耐久可靠性試驗?部件級耐久可靠性試驗以及虛擬仿真分析關聯得當的話，完全可以通過早期的虛擬仿真分析以及部件級耐久可靠性試驗暴露出來，以提升整車研發效率，縮短驗證周期?

4 結語

良好的熱管理系統設計是電池包性能穩定性以及耐久可靠性的基礎，也是電動汽車性能穩定性以及耐久可靠性的基礎?通過耐久可靠性試驗并將其數據進行分析可發現電動汽車的熱管理系統的設計缺陷以及設計過程應考慮的因素?為熱管理系統設計積累寶貴經驗?