摘要：為延長電池使用壽命，提高電池安全性，需要對電池進行熱管理。電動汽車動力電池熱管理系統在理論分析、仿真建模、實驗驗證基礎上開展設計工作，綜合考慮了電池產熱原理、產熱模型、發熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對所設計系統進行仿真和分析，并對工程樣機熱管理有效性進行了實驗驗證。

當前，整個電動汽車行業蓬勃發展。電池是電動汽車核心部件，電池的熱特性對整車性能、安全性、壽命及使用成本產生關鍵影響。

配置電池熱管理系統是改善電池組熱特性關鍵措施之一，系統熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時進行預熱，提升電池溫度，確保低溫下的充放電性能和安全性；(3)減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區的形成，防止高溫電池過快衰減而降低電池組整體壽命[1]。

電池熱管理按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻，其中只利用周圍環境冷卻的方式為被動式冷卻。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，被動式的自然冷卻技術已經不能滿足電池散熱要求。當前主要的主動式熱管理形式有空氣強制對流熱管理、液體熱管理、熱管熱管理和相變材料熱管理等，而液體熱管理受到越來越多廠商的青睞[2-4]，特別是國外車企對于液體熱管理技術研究起步早，已經取得了一定成果，國內還處于研究探索階段。公眾號-新能源電池熱管理。

TeslaMotors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池熱管理系統。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內部流動，傳輸電池產生的熱量。報告顯示在行駛約16萬公里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數明顯相關，而與環境溫度、車齡關系不明顯[1,5]。

奧迪的A3油電混合動力車，內部搭載有8個模塊共計96個能量存儲單元。其熱管理同樣采用的是液冷式方案，在兩個電池模塊中間配備一塊冷板，將兩個緊鄰電池模塊中部累積的熱量通過冷板迅速傳導出來，從而有效控制整體溫升以及整個模塊的溫度一致性。

通用汽車公司的Volt插電式混合動力汽車使用了288只45Ah的層疊式鋰離子電池。熱管理系統采用了液冷式設計方案，單體電池間隔布置了金屬散熱片(厚度為1mm)，散熱片上刻有流道槽，冷卻液在流道槽內流動并帶走熱量。在低溫環境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。Volt的電池組內的溫度差可控制在2℃以內，有力地支持了8年的電池組壽命保證期。

為了開發高效液體熱管理系統進行了基于液體熱管理電池組的CFD仿真、設計和驗證工作。

1 、電池產熱模型

一般而言，鋰離子電池中包括5種熱源，分別為：不可逆熱阻生熱、可逆熵熱、混合熱、相變熱和反應熱。Bernardi和Newman從電池能量守恒出發，認為電池內部熱量是均勻產生的，第一次提出了鋰離子電池熱生成率的一般表達式。在鋰離子電池中，反應熱和相變熱較其他幾個熱源小幾個數量級，通常忽略不計[6-10]，因此熱生成率的表達式為：

式中：U為電池開路電壓；I為電池電流；V為電池負載電勢。以上三項分別表示不可逆內阻熱、可逆熵熱和混合熱。

隨后Thomas和Newman證實，在電池的設計過程中，如果減小極化濃度差，混合熱也可以忽略不計，式(1)可以簡化為：

式中：r為電池密度；Cp為比熱；ki為電池在i方向上的導熱系數(i=x、y、z)；q為熱生成率；qcon為散熱率。

通過上述模型可以得到電池的熱生成率、比熱容、導熱系數，為熱管理設計和仿真分析奠定基礎。

2、液冷模式電池熱管理設計

2.1、系統組成

基于液體的熱管理系統可同時實現對電池冷卻和加熱，系統主要包括液冷板、管路、低溫散熱器、電池冷卻器、冷卻液循環泵、PTC水加熱器、水箱以及冷源等。其中低溫散熱器、電池冷卻器、循環水泵、PTC水加熱器和整車熱管理系統集成或者集成于獨立冷源，公眾號-新能源電池熱管理。

2.2、系統原理

基于液體的電動汽車動力電池熱管理具體工作原理如圖1所示。

電池包不需要冷卻時(如電池包內溫度25℃)，則不啟動制冷系統和電池包液冷系統。

低溫散熱工況：當外界環境溫度不高(如10℃)，電池包內部溫度較高(如35℃)時，暫不用開啟空調壓縮機，通過循環泵使冷卻液在液冷系統循環，帶走電池熱量，最終熱量通過低溫散熱器散發，從而達到對電池包的降溫的目的。

高溫散熱工況：當外界環境溫度較高(如40℃)，電池包內部溫度較高(如45℃)時，此時溫差較小，如果只通過低溫散熱循環來冷卻電池包比較困難，所以關閉低溫散熱器的冷卻回路。開啟制冷系統，此時電池冷卻器可以看作蒸發器，吸收冷卻液(乙二醇水溶液)熱量，冷卻液降溫后進入冷板對電池包進行冷卻。

加熱工況：當外界環境溫度低于0℃時，需要開啟加熱裝置，循環水泵，關閉低溫散熱回路和制冷系統，通過加熱裝置加熱乙二醇水溶液，輸送到冷板對電池包進行加熱。

根據上述產熱模型計算出電池的發熱功率，并結合系統組成和工作原理得到所需換熱面積和冷卻液流量，然后進行液體熱管理冷板和管路設計。具體設計結果如圖2所示。

3、基于液體熱管理系統仿真分析

3.1、液體熱管理系統流場仿真分析

使用CFD軟件對液體熱管理系統流場進行仿真分析，當冷卻液流量為12L/min時，系統冷板及管路的仿真壓力云圖和速度云圖如圖3和圖4所示。分析結果表明，冷卻液進出口壓差為51kPa較為合理，整個流場流速分布均勻，符合設計要求。

3.2、快充冷卻性能仿真

設定快充冷卻過程仿真分析邊界條件及初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，快充倍率1.5C，發熱功率1978W，快充30min后充電倍率跳轉至0.3C，發熱功率為828W。仿真結果如圖5所示。整個充電過程最高溫度44.5℃，充電結束時，上極柱最高溫度為31℃，下極柱最低溫度為23℃，溫差8℃。

3.3放電冷卻性能仿真

設定放電冷卻過程仿真分析邊界和初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，放電倍率1C，發熱功率1407W。仿真結果如圖6所示。整個放電過程電池最高溫度42℃，放電結束時，上極柱最高溫度為34℃，下極柱最低溫度為25℃，溫差9℃。

3.4加熱性能仿真

設定低溫加熱過程仿真分析邊界條件：環境溫度-20℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度35℃，當最低溫度達到15℃后停止加熱。仿真結果如圖7所示。整個過程電池最高溫度30℃，充電結束時，上極柱最高溫度為23.5℃，下極柱最低溫度為15℃，溫差8.5℃。

4、實驗驗證

4.1、實驗條件和實驗設備

(1)實驗條件(環境溫度、濕度、壓強等)實驗過程環境溫度-30～40℃，濕度30%～50%，壓強101.325kPa。

(2)實驗設備(實驗用的測試設備、計量器具等)實驗過程所需設備具體情況如表1所示。

4.2、實驗方法

本次實驗在天津中國汽車技術研究中心進行，主要是對

所研發的基于液體的電動汽車動力電池熱管理系統冷卻和加熱性能進行測試，為系統優化和驗證模擬精度奠定基礎，公眾號-新能源電池熱管理。

系統流阻測試通過檢測系統進出水口壓力獲得，冷板表面溫度通過在冷板表面粘貼熱電偶得到；在系統冷卻性能測試中電池溫度通過集成在電源系統內的溫度采集點上傳至BMS獲得。具體實驗方法見表2。

4.3、實驗設備及測點布置

為了解系統性能，便于對系統進行更好匹配和優化，需要對系統不同部位的溫度檢測。具體的測點布置情況如圖8所示，實驗設備如圖9所示。

4.4、實驗結果及分析

通過對系統實驗數據處理，分析電池包溫度特性，從而評價系統性能。

4.4.1、基于液體熱管理系統流阻實驗驗證

通過實驗測得系統流阻為48kPa，相比模擬的51kPa，誤差在6%，在允許范圍內。模擬精度可以滿足設計。

4.4.2、快充冷卻性能實驗驗證

將含有液體熱管理的電源系統置于步入式高低溫箱進行實驗，調節高低溫箱溫度為40℃，相對濕度50%。當電池溫度達到35℃后，通過充放電設備對電源系統以1.5C進行充電，同時開啟液體熱管理系統，對電池進行冷卻，當SOC達到80%以后，充電倍率跳轉至0.3C至電池充滿。實驗結果如圖10所示。隨著充電進行，電池溫度先升高后降低，最高溫度為42℃，充電結束電池最高溫度為36℃，最低溫度為29℃，溫差7℃。相比模擬結果，最高溫度模擬精度為5.6%，充電結束溫度模擬精度為14%，溫差精度在12.5%，基本可以指導熱管理設計。

4.4.3放電冷卻性能實驗驗證

將含有液體熱管理的電源系統置于步入式高低溫箱進行實驗，調節高低溫箱溫度為40℃，相對濕度50%，當電池溫度達到40℃后，通過充放電設備對電源系統以1C進行放電，同時開啟液體熱管理系統，對電池進行冷卻。實驗結果如圖11所示。隨著放電進行，電池溫度先升高后降低再升高，整體趨勢較平穩，最高溫度為40.7℃，充電結束電池最高溫度為40℃，最低溫度為32℃，溫差8℃。相比模擬結果，最高溫度模擬精度為3.1%，充電結束溫度模擬精度為15%，溫差精度在12.5%，基本可以指導熱管理設計。

4.4.4加熱性能實驗驗證

將含有液體熱管理的電源系統置于步入式高低溫箱進行實驗。調節高低溫箱溫度為-20℃，相對濕度50%。當電池溫度達到-20℃后，同時開啟液體熱管理系統，對電池進行加熱，進水溫度35℃；當電池最低溫度達到-5℃時，通過充放電設備對電源系統進行充電，當電池溫度達到15℃后加熱停止，繼續充電至充滿。實驗結果如圖12所示。隨著加熱進行，電池溫度先升高后降低，充電結束電池最高溫度為24℃，最低溫度為16℃，溫差8℃。相比模擬結果，最高溫度模擬精度為2.1%，充電結束溫度模擬精度為6.25%，溫差精度在6.25%，模擬精度可以滿足熱管理設計。

5 、結論

(1)通過建立鋰離子電池熱模型，設計基于液體的電動汽車動力電池熱管理系統。

(2)通過對所設計的液體熱管理系統流場、不同充放電倍率下電池溫度和加熱工況下電池溫度場進行仿真分析，驗證了所設計液體熱管理系統的合理性，可將電池溫度控制在45℃以內，滿足電池工作范圍需求。

(3)通過實驗驗證了基于液體的電動汽車動力電池熱管理系統設計的有效性，同時也驗證了仿真精度，特別是對產熱模型的修正，也需要通過實驗測量進行驗證。

(4)所設計的基于液體的電動汽車動力電池熱管理系統在40℃高溫1.5C充電工況下，可控制電池溫度45℃以內，充電結束電池最高溫度在29～36℃；40℃高溫1C放電工況下，可控制電池溫度40℃以內，充電結束電池最高溫度在32～40℃；加熱過程，電池溫度先升高后降低，充電結束電池最高溫度為24℃，最低溫度為16℃，溫差8℃。

免責聲明：文章來源于網絡（陳通,孫國華,王明強等.基于液體的動力電池熱管理系統性能研究[J].電源技術,2019,43(04):658-661.），僅供學習交流分享，版權歸原作者所有，如果侵權請聯系我們予以刪除

編者注：

文章中：冷卻液流量為25L/min,溫度為25 ℃,環境溫度為27 ℃或40 ℃；這只是入門級別的仿真，并沒有考慮整車真實情況，即：一般的換熱需要通過chiller進行換熱，無法滿足一開始就恒定定進口25℃的條件；

正確的方法是：設置一個目標水溫=20℃，限制一個直冷功率KW；如下圖所示：

文章來源：新能源電池熱管理