動(dòng)力電池作為新能源汽車的主要?jiǎng)恿υ?，其?duì)新能源汽車的重要性不言而喻。在實(shí)際的車輛使用過程中，電池會(huì)的面臨的使用工況復(fù)雜多變。為了提高續(xù)航里程，車輛需要在一定的空間內(nèi)布置盡可能多的電芯，因此車輛上電池包的空間非常有限。電池在車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的熱量且隨著時(shí)間的累積在相對(duì)狹小的空間內(nèi)內(nèi)積聚。由于電池包內(nèi)電芯的密集堆放，也在一定程度上造成中間區(qū)域散熱相對(duì)更困難，加劇了電芯間的溫度不一致，其結(jié)果會(huì)降低電池的充放電效率，影響電池的功率；嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致熱失控，影響系統(tǒng)的安全性和壽命。
動(dòng)力電池的溫度對(duì)其性能、壽命、安全性影響很大。在低溫下，鋰離子電池會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻增大、容量變小的現(xiàn)象，極端情況更會(huì)導(dǎo)致電解液凍結(jié)、電池?zé)o法放電等情況，電池系統(tǒng)低溫性能受到很大影響，造成電動(dòng)汽車動(dòng)力輸出性能衰減和續(xù)駛里程減少。在低溫工況下對(duì)新能源車輛進(jìn)行充電時(shí)，一般BMS先將電池加熱到適宜的溫度再進(jìn)行充電的操作。如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致瞬間的電壓過充，造成內(nèi)部短路，進(jìn)一步有可能會(huì)發(fā)生冒煙、起火甚至爆炸的情況。電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)低溫充電安全問題在很大程度上制約了電動(dòng)汽車在寒冷地區(qū)的推廣。
電池?zé)峁芾硎荁MS中的重要功能之一，主要是為了讓電池組能夠始終保持在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作，從而來維持電池組最佳的工作狀態(tài)。電池的熱管理主要包括冷卻、加熱以及溫度均衡等功能。冷卻和加熱功能，主要是針對(duì)外部環(huán)境溫度對(duì)電池可能造成的影響來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。溫度均衡則是用來減小電池組內(nèi)部的溫度差異，防止某一部分電池過熱造成的快速衰減。如表1所示，通常我們期望電池在20~35℃的溫度范圍內(nèi)工作，這樣能實(shí)現(xiàn)車輛最佳的功率輸出和輸入、最大的可用能量，以及最長的循環(huán)壽命。

表1 動(dòng)力電池溫度特性

一般來說，動(dòng)力電池的冷卻模式主要分為風(fēng)冷、液冷和直冷三大類。風(fēng)冷模式是利用自然風(fēng)或者乘客艙內(nèi)的制冷風(fēng)流經(jīng)電池的表面達(dá)到換熱冷卻的效果。液冷一般使用獨(dú)立的冷卻液管路用來加熱或冷卻動(dòng)力電池，目前此種方式是冷卻的主流，如特斯拉和volt均采用此種冷卻方式。直冷系統(tǒng)則是省去了動(dòng)力電池的冷卻管路，直接使用制冷劑對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻。

1、風(fēng)冷系統(tǒng)：
早期的動(dòng)力電池，由于其容量和能量密度較小，所以很多采用風(fēng)冷的方式對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻。風(fēng)冷分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷（利用風(fēng)機(jī)）兩大類，利用自然風(fēng)或駕駛室內(nèi)的冷風(fēng)對(duì)電池進(jìn)行冷卻。其基本原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)冷系統(tǒng)原理圖

風(fēng)冷系統(tǒng)的典型代表如日產(chǎn)日產(chǎn)聆風(fēng)（Nissan Leaf）、起亞Soul EV等；目前48V微混車輛的48V電池普遍布置在乘客艙中，采用風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻，某動(dòng)力電池風(fēng)冷路徑圖如圖2所示。風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，技術(shù)相對(duì)成熟，成本較低。但由于空氣帶走的熱量有限，其的換熱效率較低，電池內(nèi)部均溫性不佳，對(duì)電池溫度也難以實(shí)現(xiàn)比較精確的控制。因此風(fēng)冷系統(tǒng)一般適用于續(xù)航里程較短、整車重量較輕的情況。

圖2 某動(dòng)力電池風(fēng)冷路徑圖（并行風(fēng)道）

值得一提的是，對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)而言，風(fēng)道的設(shè)計(jì)對(duì)冷卻的效果起著至關(guān)重要的作用。風(fēng)道主要分為串行風(fēng)道和并行風(fēng)道，如圖3所示。串行結(jié)構(gòu)簡單，但阻力大；并行結(jié)構(gòu)較復(fù)雜占用空間多，但散熱均勻性好。

圖3 串行風(fēng)道和并行風(fēng)道

2、液冷系統(tǒng)
液冷模式即電池采用冷卻液冷卻的方式換熱，其原理圖如下圖3所示。冷卻液分為可直接接觸電芯（硅油，蓖麻油等）和通過水道接觸電芯（水和乙二醇等）兩種；目前水和乙二醇混合溶液用的比較多。液冷系統(tǒng)一般會(huì)增加一個(gè)chiller與制冷循環(huán)耦合起來，通過制冷劑將電池的熱量帶走；其核心部件是壓縮機(jī)、chiller和水泵。壓縮機(jī)作為制冷的動(dòng)力發(fā)起點(diǎn)，決定著整個(gè)系統(tǒng)的換熱能力。chiller則起到了制冷劑和冷卻液的交換作用，而換熱量的大小也直接決定著冷卻液的溫度。水泵則決定了管路內(nèi)冷卻液的流速，流速越快換熱性能就會(huì)越好，反之亦然。

圖3 液冷系統(tǒng)原理圖

Chiller(電池冷卻器)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，大家可以把它想象為蒸發(fā)器和換熱器組合在一塊的一個(gè)東西，知名的供應(yīng)商如馬勒貝爾等。它的主要作用為將空調(diào)系統(tǒng)的冷媒引入，冷媒在蒸發(fā)器中吸收電池冷卻回路中傳遞過來的熱量并將熱量帶走，以達(dá)到冷卻動(dòng)力電池的目的。其結(jié)構(gòu)一般由一個(gè)換熱器主體，一個(gè)外部蒸發(fā)器，兩個(gè)冷卻液進(jìn)出管（一進(jìn)一出），兩個(gè)冷媒管（一進(jìn)一出）組成。

如下“chiller的工作原理”圖所示，一層層的板式換熱片堆疊組成chiller中換熱器的主體，冷卻液和冷媒以對(duì)流的形式在其內(nèi)部流動(dòng)。在換熱器主體中，冷卻液和冷媒隔層間隔開，相互形成三明治結(jié)構(gòu)。對(duì)流過程中熱量從冷卻液轉(zhuǎn)移到冷媒上，以實(shí)現(xiàn)換熱。電池冷卻的效率由Chiller的功率大小、水泵功率的大小、冷卻液流速、冷媒流速等因素決定。

液冷方案的典型代表如特斯拉、通用沃藍(lán)達(dá)（Volt）等車型。如圖4所示，Volt采用288節(jié)45Ah的層疊式鋰離子電池；并在單體電池間間隔布置了金屬散熱片（厚度為1 mm），散熱片上刻有流道槽。冷卻液可在流道槽內(nèi)流動(dòng)帶走熱量。在低溫環(huán)境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。

圖4 volt電池?zé)峁芾淼脑韴D及實(shí)物圖

如圖5所示，與VOLT的并行流道不同，由于特斯拉采用的圓柱形電芯，因此將冷板安裝于18650電池的間隙，形成了串行的冷卻流道。雖然冷板的設(shè)計(jì)布置難度較大且蛇形冷板在一定程度上增加了液冷系統(tǒng)的壓力損失，但是其冷卻效果做的相當(dāng)好，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池包的溫度在正負(fù)2℃以內(nèi)。二者的冷卻系統(tǒng)對(duì)比如表a所示。

圖5 特斯拉電池?zé)峁芾淼脑韴D及實(shí)物圖

表a 特斯拉與沃蘭達(dá)的冷卻系統(tǒng)對(duì)比

某混動(dòng)車型的電池?zé)峁芾碓韴D及工作模式如圖所示。

混動(dòng)車輛電池?zé)峁芾砉苈吩韴D

1、電池冷卻液罐， 2、電池冷卻管路水泵， 3、電池PTC加熱器， 4、電池冷卻液進(jìn)口溫度傳感器， 5、動(dòng)力電池， 6、電池冷去也出口溫度傳感器， 7、四通閥， 8、電池冷卻器（chiller）， 9、電池散熱器， 10、大氣溫度傳感器， 11、冷凝器， 12、高壓側(cè)制冷劑壓力傳感器， 13、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)， 14、制冷劑壓力傳感器， 15、熱膨脹閥， 16、乘客艙蒸發(fā)器， 17、熱膨脹閥，18、冷卻風(fēng)扇

模式一：當(dāng)電池的溫度處于正常范圍時(shí)，不需要加熱或冷卻時(shí)，水泵驅(qū)動(dòng)使電池冷卻液在電池內(nèi)部循環(huán)，此時(shí)主要目的是使電池內(nèi)部的溫度保持盡可能一致。

模式二：當(dāng)電池的溫度較低，需要加熱時(shí)，電動(dòng)PTC打開，給冷卻液加熱，通過圖示的循環(huán)完成對(duì)電池的加熱。

模式三：當(dāng)外界溫度不算太高，電池需要加熱時(shí)，四通閥切換到電池散熱器的管路，如圖所示。此模式下冷卻液的熱量主要通過電池散熱器散發(fā)到空氣中。

模式四:在較高的環(huán)境溫度，電池需要散熱，且僅通過散熱器不能滿足要求是，四通閥切換到chiller的管路，如圖。此模式下冷卻液的熱量通過chiller傳遞給制冷劑，制冷劑再傳遞到空氣中。

液冷系統(tǒng)的形式比較靈活，可以在電池模塊間設(shè)置冷卻流道（目前是主流），也可以在電池底部使用冷卻板，或者將電芯或模組沉浸在冷卻液中。液冷系統(tǒng)的優(yōu)勢在于換熱系數(shù)高，速率快，均溫性好，能實(shí)現(xiàn)較精確的溫度控制；缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜，系統(tǒng)的密封性要求高，冷卻系統(tǒng)占了電池包的相當(dāng)一部分重量，成本相對(duì)較高。

3、直冷系統(tǒng)：
直冷系統(tǒng)是利用空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑直接冷卻動(dòng)力電池的，原理圖如圖11所示。將空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器直接安裝在電池系統(tǒng)中，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)直接將電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量帶走，從而實(shí)現(xiàn)更快、更有效地冷卻過程。

圖11 直冷系統(tǒng)原理圖

目前采用直冷冷卻的車型還較少，最典型的如BMW i3。由于沒有液體的中間換熱，因此制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，冷卻效率更高（比液冷高出3~4倍），成本相對(duì)較小。但存在的問題在于由于制冷劑在管路內(nèi)氣液態(tài)轉(zhuǎn)化，整個(gè)系統(tǒng)的控制比較復(fù)雜，均溫性較差。且對(duì)系統(tǒng)的耐高壓和密封等均具有較高要求，在整車上應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)較大。

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