汽车新能源应用技术

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电动汽车锂动力电池组热管理系统设计流程

摘要:纯电动汽车的动力来源于电池组，因此整车性能依赖于锂动力电池组的性能。而锂动力电池性能受环境温度的影响很大，锂动力电池组热管理的目的是控制电池组的温度和实现电池组温度均匀分布，电池组热管理系统的研究与开发对于电动汽车的安全可靠运行有着非常重要的意义。本文首先分析了温度对电池组性能和寿命的影响，概括了电池组热管理系统的功能，介绍了电池组热管理系统设计的一般流程和采用的方法。主要包括电池的选型、最优工作温度范围的确定、电池组的确定、电池生热机理研究、热物性参数的获取、电池组热场计算、传热介质的选择、散热结构的设计、保温加热结构的设计、温度控制策略的设计、软硬件的设计等。

关键词：电动汽车；电池组；热管理系统；设计流程

Abstract: The power of pure electric vehicle is from the battery pack,so the vehicle performance depends on the performance of lithium-ion power battery,the lithium power battery performance is much affected by the environment temperature.The purpose of lithium power battery thermal management is to control the temperature of the battery and battery temperature uniform distribution.Battery thermal management system research and development for safe and reliable operation of the electric vehicles has very important significance.This paper first analyzes the influence of temperature on the battery performance and life,summarizes the function of the battery thermal management system,introduces the general process and methods of the design of battery thermal management system.Mainly includes the selection of the battery,the determination of the optimal operating temperature range, battery heating mechanism research, thermal physical property parameters,battery thermal field calculation, the selection of the heat transfer medium,heat insulation structure design, structure design of heating,the design of the temperature control strategy, software and hardware design, etc.

Keywords: EV;battery pack;thermal management system;design flow

0 引言

随着全球的能源日益枯竭以及环境污染问题越来越严重，传统的内燃机汽车的发展面临着前所未有的挑战。各国政府、各大汽车企业、各种科研机构也纷纷投入巨大的人力和物力来研究内燃机的替代能源和动力，这大大促进了电动汽车的发展。

纯电动汽车的动力来源于电池组，因此整车性能依赖于锂动力电池组能否发挥其最大的性能。锂动力电池性能受环境温度的影响很大，温度对锂动力电池性能的影响主要表现为温度高低和温度分布均匀性。当锂动力电池长期在高温环境下工作，电池内部产生不可逆反应物，加快电池循环使用寿命衰减，当温度达到电池材料燃点时，导致电池组起火；当锂动力电池在低温下工作时，电池的内阻会随着温度的降低而升高，可用容量下降。因此，对锂动力电池组进行有效地热管理不仅可以提高电动汽车的动力性和经济性，还能防止整车行驶过程中因锂动力电池组故障引发的安全问题。

电池组热管理系统有如下5项主要功能：（1）电池温度的准确测量和监控；（2）电池组温度过高时的有效散热和通风；（3）低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；（4）有害气体产生时的有效通风；（5）保证电池组温度场的均匀分布。

1电池组热管理系统的设计流程

1.1 热管理系统的目标和要求的确定

1)电池类型的确定。考虑整车的动力性能要求以及整车的运行气候环境（比如

在温度较高的南方或者是在温度较低的北方），从现有的电动汽车用电池（铅酸电池、氢镍电池和锂离子电池）中选出一种电池来作为动力电池。

2)电池数目和串并方式的确定。根据不同类型的车辆（如EV、并联HEV、串联

HEV）的电机及发动机的功率分配，利用软件来进行动力学仿真，计算出所需要的总数。然后根据电压和电流需求进行分析，得出几串几并的排列方式，同时考虑是否采用模块化进行管理。

3)电池摆放位置和形状的确定。结合车上可装载电池的有效空间，基于有利于

散热的原则初步进行电池的摆放和电池总体形状的设计。由于空间有限，一般选择底板放置，而此处受环境影响较大，需要有效的电池热管理。

4)电池最优工作温度范围的确定。最优的工作温度范围可以由电池制造者提

供，也可以由电池使用者通过实验来确定。一般来说，铅酸电池效率和最大运行功率在-26℃～65℃范围内增加；氢镍电池电池的工作运行范围应该在0℃～40℃之间；锂动力电池工作运行范围应该在20℃～30℃。

1.2 电池的结构原理及生热机理的研究

对电池的内部结构，化学反应原理进行研究。然后确定电池的生热机理，比如锂离子电池，它的生热量来源于下面四部分：化学反应热、极化产热、副反应热和焦耳热，锂动力电池副反应几乎没有，所以，锂动力电池主要是化学反应热、极化热和焦耳热。当锂动力电池温度达到70～80℃时，锂动力电池总生热量几乎全部来源于反应热；在70～80℃下放电时，锂动力电池总的生热量大部分来源于焦耳热。

1.3 电池热物性参数的获取

1)电池的生热速率的计算。

车辆在不同的运行状态下，电池工作状态不同，生热速率也不同。电池产生的热量主要取决于电池的类型、电池的工作状态（充电/放电）、电池的荷电状态（SOC）以及环境温度条件等。

工程应用中准确获取电池单位体积生热速率q表达式比较困难，这是求解电池温度场的难点所在。目前主要有理论计算和实验两种方法得到q。Bernadi假设电池生热在电池体内均匀分布，建立了一种典型的电池生热模型。

是电池单体体积；I 是充放电电流（A），充电为正，放电为负；E 式中，V

b

为电池开路电压；T 是温度；dE0 / dT 是温度系数(V/ K）；是电池单体电压；E

/ dT 分别表示焦耳热部分和可逆反应热部分。

（ E-E0）,TdE

2)电池的热容量的计算

电池模块的热容量可以按照物理学定义用量热计直接测量得到，也可以采用理论计算的方法得到。根据电池单体中每一种材料的比热，通过质量加权平均的办法可以计算出电池单体的热容量，电池模块的热容量等于单体热容量乘以单体个数。

为电池单体每种材料式中，Cp为电池单体的比热；m为电池单体的质量；m

i

的质量；C

为电池单体每种材料的比热。

i

3)电池的导热率的计算

电池是各向异性的，各个方向上平均热传导率一般都不相等。电池由很多部件和电解液组成，采用实验方法直接测量热导率有较大难度。所以一般用简单的理论估算方法，或者用有限元（FEA）方法来计算电池的热导率。

1.4 传热介质选择

传热介质的选择对热管理系统的性能有很大影响，传热介质要在设计热管理系统前确定。按照传热介质分类，热管理系统可分为空冷、液冷及相变材料冷却3 种方式。空气冷却是最简单方式，只需让空气流过电池表面。液体冷却分为直接接触和非直接接触两种方式。对于并联式混合动力电动车的电池组作为辅助的功率部件，运行条件不是十分恶劣，采用空冷方式就可能达到使用要求；对于纯电动汽车和串联式混合动力汽车，电池组作为主要的功率部件，生热量很大，要想获得比较好的热管理效果，可以考虑采用液冷的方式。

1.5 电池单体或动力电池组仿真模型的建立

1)换热系数的获得

电池模块壁面和传热介质之间的换热系数可以通过CFD 方法或者实验得到。

2)运用FLUENT等热分析软件分析车辆在各种运行工况下，整个电池组采取不

同的通风散热结构、不同的加热/冷却流体（空气和流体）、不同的流动路径

（液体直接或间接接触、气体并行或串行通风）及不同流速及流量时的温度场分布。

由于电池的实际产热情况十分复杂，为了减少电池温度场相关数值计算的复杂性，在仿真计算时常进行相应的简化，即对电池做如下的假设：

◆组成电池的各种材料介质均匀，密度一致，同一材料的热容为同一数值，

同一材料在同一方向各处的导热率相等；组成电池材料的比热容和导热

率不受温度和SOC的变化影响；

◆电池充放电时，电池内核区域各处电流密度均匀，生热速率一致。

1.6 初步设计电池热管理系统

1)根据上面对电池组的温度场的仿真结果确定是否需要电池热管理系统（也就

是说能否自行散热）；若需要，则继续确定整个系统的最优散热结构和加热保温结构；然后根据不同风速时的散热仿真效果，估算出系统所需要的风扇、加热器或泵的功率；

2)风机的选择。以空冷散热方式为例，设计散热系统时，在保证一定散热效果

的情况下，应该尽量减小流动阻力，降低风机噪音和功率消耗，提高整个系统的效率。可以用实验、理论计算和流体力学（CFD）的方法通过估计压降、流量来估计风机的功率消耗。当流动阻力小时，可以考虑选用轴向流动风扇；

当流动阻力大时，离心式风扇比较适合。当然也要考虑到风机占用空间的大小和成本的高低。寻找最优的风机控制策略也是热管理系统的功能之一。3)测温点的数量及位置的确定。电池箱内电池组的温度分布一般是不均匀的，

因此需要知道不同条件下电池组热场分布以确定危险的温度点。测温传感器数量多，有测温全面的优点，但会增加系统成本。考虑到温度传感器有可能失效，整个系统中温度传感器的数量又不能太少，至少为两个。具体的最合适的测温点可以根据对热管理系统的仿真温度场来确定一般的设计应该保证温度传感器不被冷却风吹到，以提高温度测量的准确性和稳定性。在设计电池时，要考虑到预留测温传感器空间，比如可以在适当位置设计合适的孔穴。

4)热管理系统的温度控制设计。温度控制策略的制定（包括加热控制策略和散

热控制策略）、软件设计（包括温度采集程序设计和对执行器的控制等）、温度控制系统硬件设计（包括主控模块的器件选型与电路设计）、系统调试。

1.7 实验验证及优化设计

通过电池组的传热台实验来验证有限元模型是否准确，评价传热与流动性能，评估车辆在各种工况和气候条件下运行的温度控制策略的可靠性。通过多次实验和设计来不断的优化和完善这个热管理系统。例如：是否需要通过调整风扇或泵的功率加大流体流量，加快电池表面的换热速率；利用红外线成像实验来验证热管理后的电池组温度的控制是否达到要求。

2 结论

一个设计良好的热管理系统可以提高电动汽车的电池组的使用寿命以及动力性能，对于更好的发挥电动汽车的性能以及降低车辆的成本很有意义。按照合理有序的步骤设计，能够更加有效地设计出合理的热管理系统，减少设计周期，而且性能优良的的热管理系统一般为多次优化设计的成果。

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