动力电池的热管理

一、动力电池热管理系统的功能

由于过高或过低的温度都将直接影响动力电池的使用寿命和性能，并有可能导致电池系统的安全问题，并且电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体间性能的不均衡，因此，电池热管理系统对于电动车辆动力电池系统而言是必需的。可靠、高效的热管理系统对于电动车辆的可靠安全应用意义重大。

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。

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。

二、电池内传热的基本方式

电池内热传递方式主要有热传导、对流换热和辐射换热3种方式。

电池和环境交换的热量也是通过辐射、传导和对流3种方式进行的。热辐射主要发生在电池表面，与电池表面材料的性质相关。

热传导是指物质与物体直接接触而产生的热传递。电池内部的电极、电解液、集流体等都是热传导介质，而将电池作为整体，电池和环境界面层的温度和环境热传导性质决定了环境中的热传导。

热对流是指电池表面的热量通过环境介质（一般为流体）的流动交换热量，它也和温差成正比。

对于单体电池内部而言，热辐射和热对流的影响很小，热量的传递主要是由热传导决定的。电池自身吸热的大小与其材料的比热容有关，比热容越大，散热越多，电池的温升越小。如果散热量大于或等于产生的热量，则电池温度不会升高。如果散热量小于所产生的热量，热量将会在电池体内产生热积累，电池温度升高。

三、电池组热管理系统

设计实现按照传热介质，可将电池组热管理系统分为空冷、液冷和相变材料冷却3种。考虑到材料的研发以及制造成本等问题，目前最有效且最常用的散热系统是采用空气作为散热介质。按照散热风道结构，空冷系统又可分为串行通风方式和并行通风方式两种，如图4-16和图4-17所示。

图4-16　串行通风方式

图4-17　并行通风方式

串行情况下一般是使空气从电池包一侧流往另外一侧，从而达到带走热量的效果。这时，气流会将先流过的地方的热量带到后流过的地方，从而导致两处温度不一致且温差较大。而并行情况下模块间空气都是直立上升气流。这样能够更均匀地分配气流，从而保证电池包中各处的散热一致性。

热管理系统按照是否有内部加热或制冷装置可分为被动式和主动式两种。被动系统成本较低，采取的设施相对简单；主动系统相对复杂，并且需要更大的附加功率，但效果较为理想。图4-18～图4-20为空气加热与散热主、被动结构示意图。

图4-18　被动加热与散热-外部空气流通

图4-19　被动加热与散热-内部空气流通

图4-20　主动加热与散热-外部和内部空气流通

图4-18和图4-19中，尽管空气是经过汽车空调或供暖系统冷却和加热的，但它仍然被认为是一种被动系统。

运用这种被动系统，由于引入环境空气的温度的不一致性，环境空气必须在一定温度范围（10～35℃）中才能正常进行热管理，在环境极冷或极热条件下运行电池包可能会产生更大的不均匀。加热系统中，除了采用将热空气引入电池包中的方式外，还可以采用其他方式，如图4-21～图4-24所示（方形电池）。

图4-21　电池列前后缠绕硅胶加热线

图4-22　电池列间添加电热膜

图4-23　电池本体上包覆电热膜

图4-24　电池上、下添加加热板

动力电池的热管理系统对电动汽车来说是相当重要的一部分，影响到电耗，续航，电池寿命等等。