電池效能 動力電池熱管理是影響電動汽車電池效能的重要因素，對它的研究有助於電池效能的提高，進而提升電動汽車的整體質量。動力電池熱管理系統設計的總體流程可大致劃分為冷卻系統、加熱系統和保溫系統。本文在介紹電池熱管理系統設計總流程分析的基礎上闡述了相應系統的基本構成結構及功能特性分析。

從宏觀上講，動力電池熱管理是對電池系統內部熱環境進行制約、調節和利用。其目的是為了使動力電池工作在一個最佳的熱環境，充分發揮電池的效能。同時，提供一個能量平衡的環境，實現整車能量的綜合利用。具體而言，熱管理就是在電池系統中溫度過高時，對系統進行降溫；在溫度過低時，對系統進行升溫；在特殊情況下，譬如停車等待過程中，要對系統進行保溫。根據熱管理的不同應用場合和功能，分為冷卻系統、加熱系統和保溫系統。

隨著乘用車IP67的要求成為必須，動力電池系統可供選擇的冷卻方式範圍被嚴重收窄。在比較成熟的冷卻方式中，風冷除了想辦法與其他熱傳遞手段配合使用外，已經基本被排除在乘用車電池包應用範疇以外。再加上特斯拉的示範效應，水冷不再是預研課題，而成了儘快商業化的重點。本文主要涉及動力電池液冷系統中的一個點，液冷板。前半部分液冷板基本知識，後半部分當前典型車型的液冷板應用形式。

液冷板，似乎並沒有什麼統一的定義，我們僅就動力電池包的液冷板這個應用場景，給它下個定義，暫且這樣描述：動力電池系統中，電池工作產生多餘熱量，熱量透過電池或者模組與板型鋁質器件表面接觸的方式傳遞，最終被器件內部流道中透過的冷卻液帶走。這個板型鋁質器件就是液冷板。

對液冷板的一般要求

散熱功率大，能夠及時匯出動力電池工作過程中產生的多餘熱量，避免過量溫升的發生；

可靠性高，在道路車輛環境工作，振動、衝擊、高低溫交變環境，對多數產品都是比較嚴酷的工作條件，而動力電池電壓動輒幾百伏，冷卻液洩漏是個嚴重問題，即使你使用絕緣效能好的冷卻液，但遇到外部雜質後，絕緣效能會立即降低，因此，冷板密封可靠性很重要；

散熱設計精準，避免系統內溫差過大，這是出於鋰電池自身效能的要求，電池的效能和老化都與工作溫度密切相關；

對冷板的重量有嚴格要求，這來自於動力電池系統對能量密度的追求，嚴重拉低系統能量密度的冷卻系統，是客戶和設計者都根本無法接受的。

幾個液冷板產品示例

某廠家甲液冷板產品例項

液冷系統利用液體流動換熱係數較大的特性，依靠液體流動轉移高熱量，是目前最有效的散熱方式之一，可消散幾百瓦到上千瓦的熱量。該廠家標準管路液冷板透過放置冷卻液管，直接與被冷卻裝置底板接觸，可以在裝置和冷卻液之間減少熱交換介面的數量，從而維持最低熱阻，提高效能。

該廠家是根據液冷板的工藝型別對液冷板型別做劃分，主要有：真空釺焊式水冷板（Aluminum Vacuum Brazing Coldplate）、攪拌摩擦焊式水冷板（FSW Coldplate）、埋管式水冷板（Exposed Tube Coldplate）和深孔鑽/腔體式水冷板（Aluminum / Copper Plate Long Hole Drilled）等幾種液體冷卻方式。他們各自的優缺點，可參照下表。

典型引數：

某廠家乙液冷板產品例項

這家是根據產品的最顯著特徵對冷板型別做劃分的，共包括三種類型。

型別1，強調散熱效能。在流體路徑中採用翅片結構，增加與冷卻液的接觸面積，從而提高了熱傳導效能。產品具有真空釺焊構造，可提供定製化配置。

型別2，強調低壓降。液冷板採用專門製作的CNC銑削微流道，在底板上形成流體通道。在低壓降條件下，具有卓越的散熱效能，從而降低了流體迴圈系統的成本。

型別3，強調管路嵌入的結構形式。將管材嵌入底板中，形成機械效能牢固的冷板。表面延伸液冷板採用更粗且佈置更密集的管材增加面積，從而擴大與冷卻液接觸的表面積，進而提高熱傳導效能。

某廠家丙冷板產品例項

這種產品，整體重量較輕，但自身不能承重。

液冷板典型工藝

液冷板生產工藝對比一般的風冷散熱器來說更復雜，液冷散熱對於工藝上的可靠性要求較高，因而有較強的技術沉澱的廠家才能提供可靠的技術支援。一般的液冷板生產技術工藝有下面幾種。

埋管工藝

埋管工藝是用得最多的液冷散熱器液冷板的製作工藝，一般來說是鋁基板埋銅管，即將鋁基板用CNC加工銑槽，再採用衝壓機將已彎好形狀的銅管壓到鋁基板上，再進行釺焊焊接，然後進行後加工成水冷板。埋管式的液冷板一般有三種形式：一是淺埋管液冷板；二是深埋管液冷板；三是焊管工藝；四是雙面夾管工藝液冷板。三種形式的工藝都差別不大，加工的難度也是一樣的。有些原本是針對大功率開關器件設計的液冷原理，在動力電池冷卻系統中，也可以借鑑應用。

淺埋管工藝：適用單面安裝，銅管壓扁後與鋁板同時銑面，充分利於銅管高導熱效能帶走熱量，利用鋁的輕量化起到減重及成本控制作用。

深埋管工藝：填料為美國進口高導熱環氧樹脂，被冷卻器件溫差要求不高的情況下，可單雙面安裝，因銅管厚度沒有進行二次加工，且有填料保護可提供應用的安全性，特別適合冷媒為介質的冷板使用。

焊管工藝：適合銅板+銅管的方式，以此降低板材厚度起到減重效果。

雙面夾管工藝：合兩面安裝器件，工藝簡單成本低；鋁板+鋁管&銅管&不鏽鋼管。

型材+焊接

在型材的基礎上加工而成的液冷散熱器，此類散熱器形狀較多，有較多的種類，有板式，有通道式，有組合式的，大致的製作原理是在型材的基礎上進行加工及焊接，將型材與接頭管路組合成整體的液冷散熱器。

利用擠壓工藝將冷板流道直接成型，再透過機加方式打通迴圈，通常採用摩擦焊接、釺焊焊接等焊接工藝進行密封，此工藝生產效率高，成本低；不適用於散熱密度過大的應用，不適合表面太多螺絲孔而限制水道走向或降低可靠性的應用條件。主要應用於：動力電池水冷散熱加熱裝置、分水盒以及標準功率模組一體化散熱產品。

機加工+焊接

水冷板採用機加的方式，內部流道尺寸、路徑均可自由設計，適合功率密度較大、熱源佈局不規則、空間受限的熱管理產品，主要應用於：風電變流器、光伏逆變器、IGBT、電機控制器、鐳射器、儲能電源、超算伺服器等領域的散熱產品設計上，而在動力電池系統中應用較少。

微通道散熱器，也是一種結合機加工和焊接工藝製造而成的散熱器，它製作要比其他散熱器複雜，微通道散熱器一般用於散熱功率較大而且散熱較為集中的機器上，微通道的方式因為水道較寬而且較為均勻，能快速的帶走集中的熱量。但是微通道的液冷散熱器製作工藝也較為複雜，一般是採用機加工微通道，再用摩擦焊的工藝進行焊接，製作成本也較高。

壓鑄+焊接

壓鑄工藝是非常成熟且應用廣泛的成型方式，隨著新能源汽車的快速發展, 成為電機控制器、動力電池包托盤及散熱箱體成批次生產的首選方式，但需在工藝上控制壓鑄雜質、氣孔等問題，保守採用密封圈方式或者採用摩擦焊焊接的方式，都需要在工藝上提高可靠性避免導致漏水問題。壓鑄成型再焊接，工藝控制良好，且製程穩定，具備批次交付能力。除了摩擦焊焊接工藝，部分水冷板還會採用釺焊或真空釺焊的焊接工藝。

這類水冷板，可以與電池包壓鑄箱體結合到一起考慮，Audi Q7 PHEV下層水冷板就是這類用法。在前兩天的北京車展上，已經看到了成型的樣品展示。

典型車型水冷板

模組級別水冷板

水冷板作為一個整體，同時作用在一個或者多個電池模組上，水冷板作為整個電池包的組成構件，而非電池模組的構件，我們就把它放在模組級別水冷板這個標題下面。

Audi Q7 PHEV 電池包

賓士Smart Gen3電池包

Chevrolet Bolt 2017 電池包

Chevrolet Bolt 2017液冷板實物

寶馬i3 液冷系統

寶馬i3 液冷板實物

BMW i8的電池包和冷板

電芯級別水冷板

將水冷板或者導熱效能良好的介質板材片材夾在電芯之間，成為模組的一部分，以達到更好的散熱效果，這類我們放在模組內部水冷板這個標題下面。

Volvo XC90 T8電池包模組爆炸圖

GM Volt模組結構

GM Volt冷卻結構

特斯拉Model S 模組

特斯拉圓柱電池水冷板專利說明

觀察應用案例我們可以看到：方形電池液冷系統，大多應用模組級別水冷板，並且一般放置在電池箱底部位置；軟包電池液冷，則是模組內部整合小型水冷板的形式居多，也有模組中整合鋁板，模組外部再設定模組級別液冷板的形式；圓柱電池，以特斯拉為首的蛇形管是主要液冷散熱器形式。

延

大家好我是創業熊哥我來回答你的問題，回答問題之前我先來介紹一下什麼是動力電池，為什麼要為動力電池設計冷卻系統，目前，電動汽車動力電池為鋰離子電池，鋰離子動力電池的效能對溫度變化較敏感，車輛上的裝載空間有限，車輛所需電池數目較大，電池均為緊密排列連線。當車輛在高速、低速、加速、減速等交替變換的不同行駛狀況下執行時，電池會以不同倍率放電，以不同生熱速率產生大量熱量，加上時間累積以及空間影響會產生不均勻熱量聚集，從而導致電池組執行環境溫度複雜多變。動力電池的冷卻效能的好壞直接影響電池的效率，同時也會影響到電池壽命和使用安全。由於充放電過程中電池本身會產生一定熱量，從而導致溫度上升，而溫度升高會影響電池的很多特性引數，如內阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。

為了使電池包發揮最佳效能和壽命，需要最佳化電池包的結構，對它進行熱管理，增加散熱設施，控制電池執行的溫度環境。

動力電池冷卻方案設計有如下幾種

1、風冷

國內外電動汽車電池組的冷卻方式上主要有以下幾種：空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻。目前空氣冷卻方式仍然是主要採用的方法，空氣冷卻比較容易實現，但冷卻效果不佳。

圖表2 典型風冷系統工作示意圖

2、液冷

液體冷卻有較好的冷卻效果，而且可以使電池組的溫度分佈均勻，但是液體冷卻對電池包的密封性有很高的要求，如果採用水這類導電液體，需用水套將液體和電池單體隔開，這樣不僅增加了系統的複雜性而且降低了冷卻效果。一般冷卻系統都是安裝在電池組模組附近，原理和空調的製冷原理相似，冷卻系統透過管路和單個電池模組相連，管路里迴圈流動冷卻液(一般是乙二醇)，將單個電池模組的熱量帶走，冷卻系統將乙二醇製冷，多餘熱量透過風扇排到外界，而乙二醇再次迴圈進入電池模組，繼續吸收電池散發的熱量。

圖表3 典型液冷系統工作示意圖

3、熱管技術

熱管技術可以滿足電池組的高溫散熱與低溫預熱雙工況要求，響應快，溫度均勻性好，作為電池組新的冷卻方法被提出後，有了一定的發展，且作為產業研究的重點方向，但是受到佈置和體積的限制，目前還沒有實車使用。

圖表4 熱管技術工作示意圖

從現有電動汽車動力電池冷卻方式來看，風冷一直佔據主要的位置，尤其是日系電動汽車，基本採用風冷系統。隨著應用環境對電池的要求越來越高，液冷也成為車企業的優先方案，如特斯拉、寶馬等品牌。中國主流電動乘用車企業也開始轉向液冷系統，從中長期趨勢來看，液冷將佔據主流。

電池包冷卻系統主要元件

不同的冷卻系統有相對應的冷卻元件：風冷系統主要部件為風機，液冷系統主要部件為冷卻板。

風冷系統元件：冷卻風道、風機、電阻絲

風機的選型直接影響電池包空冷系統的冷卻效果。風機的選型要求如下：根據電池的熱生成速率確定空氣流量；滿足每個模組的溫升要求；基於系統所需空氣流量以及系統的壓降曲線選擇滿足要求的風機。

液冷系統元件：水冷管道、冷卻泵、冷卻閥、冷卻板

冷卻板作為電池包液冷系統中最關鍵的零部件之一，冷卻板的選型至關重要。冷卻板的選型必須滿足如下要求：冷卻板的壓降必須滿足客戶要求；冷卻水流動的一致性要求；爆破壓力要求；冷卻板的機械要求；冷卻板必須透過振動和衝擊載荷測試；冷卻板必須滿足公差要求以及空間尺寸要求。

電池熱效應問題也會影響到整車的效能和迴圈壽命，因此，做好熱管理對電池的效能、壽命至整車行駛里程都十分重要。

接下來，就從電池熱管理系統及設計流程、零部件型別及選型、熱管理系統效能及驗證等幾個方面來和大家聊一聊：

動力電池熱管理必要性

1、電池熱量的產生

由於電池阻抗的存在，在電池充放電過程中，電流透過電池導致電池內部產生熱量。另外，由於電池內部的電化學反應也會造成一定的生熱量。

2、溫度升高對電池壽命的影響

溫度的升高對電池的日曆壽命和迴圈壽命都有影響。

從上面兩個圖可以看出，溫度對電池的日曆壽命有很大的影響。同樣的電芯，在環境溫度23℃，6238天后電池的剩餘容量為80%，但是電池在55℃的環境下，272天后電池的剩餘容量已經達到80%。溫度升高32℃，電芯的日曆壽命下降了95%以上。因此，溫度對日曆壽命的影響極大，溫度越高日曆壽命衰退越嚴重。

從上面兩個圖可以看出，溫度對電池的迴圈壽命也有很大的影響。同一款電芯，當剩餘容量為90%，25℃溫度下輸出容量為300kWh，而35℃溫度下的輸出容量僅為163kWh。溫度上升10℃，電芯的迴圈壽命下降了近50%。由此可見，溫度對電池的迴圈壽命有很大的影響。

因此，為了電池包效能的最最佳化，需要設計熱管理系統確保各電芯工作在一個合理的溫度範圍內。

熱管理系統的分類及介紹

不同的熱管理系統，零部件型別的結構不同、重量不同以及系統的成本不同和控制方式不同，使得系統所達到的效能也不相同。主要有如下五大類：

1、直冷系統

直冷系統具有系統緊湊、重量輕以及效能好的優點。但是此係統是一個雙蒸發器系統、系統沒有電池制熱、沒有冷凝水保護、製冷劑溫度不易控制且製冷劑系統壽命短。

2、低溫散熱器冷卻系統

低溫散熱器冷卻系統是電池的一個單獨系統，由散熱器、水泵和加熱器組成。該冷卻系統具有系統簡單、成本低、低溫環境下經濟節能等優點。但是此係統有著冷卻效能低、夏天水溫高、應用受天氣限制等缺點。

3、直接冷卻水冷卻系統

直接冷卻水冷卻系統具有系統緊湊、冷卻效能好以及工業應用範圍廣等優點。但是此係統零部件比直冷多、系統複雜、燃料經濟性差且壓縮機負荷高。此型別的冷卻系統是目前最常用的電池熱管理系統之一。

4、空冷/水冷混合冷卻系統

空冷/水冷混合冷卻系統中有兩個關鍵零部件：

1）水冷電池冷卻器；

2）空冷電池散熱器。

空冷/水冷混合冷卻系統具有系統緊湊、效能好且低溫環境下經濟節能等優點。但是此係統複雜、成本高、控制複雜且可靠性要求高。

5、直接空氣冷卻系統

此係統利用駕駛艙的低溫空氣對電池進行冷卻。

直接空氣冷卻系統具有系統簡單、空氣溫度可控以及成本低等優點。但是此係統並不是對所有型別的電芯都適合，浸溼後回覆慢且電池內部會有汙染的風險。

熱管理系統設計流程

1、產品開發流程

電池熱管理系統的開發流程應與電池包開發流程保持一致。熱管理系統的設計貫穿於整個電池包的設計過程中，在整車開發經過A樣件、B樣件、C樣件、D樣件以及最後的產品5個階段，電池熱管理參與每個階段的設計、更改、試製以及驗證。

2、熱管理開發流程

設計效能良好的電池組熱管理系統，要採用系統化的設計方法。電池組熱管理系統設計的過程包括如下7個步驟：

04設計過程中的關鍵技術

1、確定電池工作最優工作溫度範圍

由於氣候和車輛執行條件對電池影響很大，所以設計BTMS時需要確定電池組最優的工作溫度範圍。目前電動汽車用電池主要有鉛酸電池、氫鎳電池和鋰離子電池。

1）鉛酸電池

經研究發現，鉛酸電池的壽命隨溫度增加線性減少，充電效率卻線性增加，隨著電池溫度的降低充電接受能力下降，特別是0℃以下；模組間的溫度梯度減少了整個電池組的容量，推薦保持電池組內溫度的均勻分佈和控制現有鉛酸電池溫度在35～40℃之間。效率和最大執行功率在-26～65℃範圍內增加。

2）氫鎳電池

當溫度超過50℃時，電池充電效率和電池壽命都會大大衰減，在低溫狀態下，電池的放電能力也比正常溫度小得多。下圖是某80Ah氫鎳電池不同溫度下電池放電效率圖，由圖中可以看出，在溫度高於40℃或者溫度低於0℃時，電池的放電效率顯著降低。如果僅根據這一限制，此電池的工作執行範圍應該在0～40℃之間。

3）鋰離子電池

與氫鎳電池、鉛酸電池相比，能量密度更高，導致生熱更多，所以對散熱要求更高。鋰離子電池最佳工作溫度在-20～75℃之間。

鉛酸電池、氫鎳電池、鋰離子電池熱管理的必要性取決於各自的生熱率、能量效率和效能對溫度的敏感性。氫鎳電池在高溫>40℃）時生熱最多、效率最低並且易於發生熱失控事故。因此，氫鎳電池很需要熱管理，很多對氫鎳電池進行液體冷卻的努力也突出了這一點。

2、電池熱場計算及溫度預測

電池不是熱的良導體，電池表面溫度分佈不能充分說明電池內部的熱狀態，透過數學模型計算電池內部的溫度場，預測電池的熱行為，對於設計電池組熱管理系統是不可或缺的環節。通常使用如下公式進行計算：

式中：

a、T是溫度；

b、ρ是平均密度；

c、Cp是電池比熱；

d、kx、ky、kz分別是電池在x、y、z方向上的熱導率；

e、q是單位體積生熱速率。

3、電池生熱率

電池充電過程中的反應生熱可以分為兩個階段。

第1階段：

沒有發生過充電副反應之前，生熱量主要來自:電池化學反應生熱、電池極化生熱、內阻焦耳熱。

第2階段：

在發生過充電副反應之後，生熱量主要來自:電池化學反應生熱、電池極化生熱、過充電副反應生熱、內阻焦耳熱。其中大部分的生熱量來自於過充電副反應生熱。充電末期和過充電時，過充電副反應就開始發生。

電池放電過程中的生熱量主要來自:電池化學反應生熱、電池極化生熱、內阻焦耳熱。需要指出的是氫鎳電池放電時化學反應是吸熱反應，能吸收一部分熱量，所以生熱問題不是很嚴重。

電池的內阻是影響電池生熱速率的關鍵指標，它隨著電池SOC變化，在得到電池內阻值後可以透過計算獲得電池生熱量，下圖是某12V～80Ah氫鎳電池模組在不同SOC下的內阻值。

採用專門設計的量熱計可以直接測量出電池的生熱量，還可以測出電池的熱容量。

4、電池生熱量主要因素

5、散熱結構設計

電池箱內不同電池模組之間的溫度差異，會加劇電池內阻和容量的不一致性，如果長時間積累，會造成部分電池過充電或者過放電，進而影響電池的壽命與效能，造成安全隱患。電池箱內電池模組的溫度差異與電池組佈置有很大關係，一般情況下，中間位置的電池容易積累熱量，邊緣的電池散熱條件要好些。所以在進行電池組結構佈置和散熱設計時，要儘量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來，通風方式一般有序列和並行兩種，如下圖所示。

序列通風方式下，冷空氣從左側吹入從右側吹出。空氣在流動過程中不斷地被加熱，所以右側的冷卻效果比左側要差，電池箱內電池組溫度從左到右依次升高。

並行通風方式使得空氣流量在電池模組間更均勻地分佈。並行通風方式需要對進排氣通道，電池佈置位置進行很好地設計，其楔形的進排氣通道使得不同模組間縫隙上下的壓力差基本保持一致，確保了吹過不同電池模組的空氣流量的一致性，從而保證了電池組溫度場分佈的一致性。

6、風機與測溫點選擇

在設計電池熱管理系統時，希望選擇的風機種類與功率、溫度感測器的數量與測溫點位置都恰到好處。

以空冷散熱方式為例，設計散熱系統時，在保證一定散熱效果的情況下，應該儘量減小流動阻力，降低風機噪音和功率消耗，提高整個系統的效率。可以用實驗、理論計算和流體力學CFD模擬（本案例採用FloEFD軟體）的方法透過估計壓降、流量來估計風機的功率消耗。當流動阻力小時，可以考慮選用軸向流動風扇；當流動阻力大時，離心式風扇比較適合。當然也要考慮到風機佔用空間的大小和成本的高低。尋找最優的風機控制策略也是熱管理系統的功能之一。

同側風道流線圖

異側風道流線圖

電池箱內電池組的溫度分佈一般是不均勻的，因此需要知道不同條件下電池組熱場分佈以確定危險的溫度點。測溫感測器數量多，有測溫全面的優點，但會增加系統成本。考慮到溫度感測器有可能失效，整個系統中溫度感測器的數量又不能太少，至少為兩個。根據不同的實際工程背景，理論上利用有限元分析、試驗中利用紅外熱成像或者實時的多點溫度監控的方法可以分析和測量電池組、電池模組和電池單體的熱場分佈，決定測溫點的個數，找到不同區域合適的測溫點。一般的設計應該保證溫度感測器不被冷卻風吹到，以提高溫度測量的準確性和穩定性。在設計電池時，要考慮到預留測溫感測器空間，比如可以在適當位置設計合適的孔穴。

熱管理系統效能評估

模擬是電池熱管理系統最有效的評估手段之一。根據目前已有的風冷和水冷專案經驗，模擬可以完成如下工作：

1）水冷系統冷卻板的壓降計算以及冷卻水流動一致性計算；

2）電池包熱效能評估計算；

3）空氣冷卻系統最佳化計算。

1、散熱型電池包熱管理案例

以下為某混合動力汽車建立的整車熱管理，其中包含電池包熱管理模型、乘員艙模型、發動機冷卻、HVAC、油冷系統和電機冷卻系統FloMASTER軟體（軟體原名稱Flowmaster）模擬模型，其中針對電池冷卻系統，開展了一系列的設計模擬工作。

針對電池包，建立了電芯模型和冷卻模型，考慮了電芯的熱容、熱阻和熱橋，對冷卻和加熱過程進行了研究，得到了滿足冷卻溫度要求（電芯不超過40℃）的水流量和在規定的30分鐘內升溫30℃的加熱功率，以及加熱過程中各電芯的溫度均勻性及滯後效能。

2、直接空氣冷卻型電池包

該案例為三菱歐蘭德車型的熱管理模擬，得到了不同氣象條件及整個測試迴圈工況下蒸發器出口的冷風狀態及電芯溫度。

3、空/水混合冷卻型電池包

以下模型為空/水混合冷卻型電池熱管理及整車熱管理模型，並對該系統進行了不同季節、不同車況的熱管理模擬，並結合控制策略，研究了不同檔位的採暖和電池加熱工況以及純加熱工況，對系統設計及控制策略最佳化提供了重要依據。

電池的溫度直接影響了電池的安全性，因此電池的熱管理系統設計研究是電池系統設計中最關鍵的工作之一。必須嚴格按照電池的熱管理設計流程、電池的熱管理系統及零部件型別、熱管理系統的零部件選型及熱管理系統的效能評估等多個方面來進行電池系統熱管理的設計和驗證，才能保證電池的效能和安全性。---摘自網路