新能源整车热管理(三):电池系统热管理

新能源整车热管理（三）：电池系统热管理

动⼒电池作为新能源汽车的主要动⼒源，其对新能源汽车的重要性不⾔⽽喻。在实际的车辆使⽤过程

中，电池会的⾯临的使⽤⼯况复杂多变。为了提⾼续航⾥程，车辆需要在⼀定的空间内布置尽可能多的

电芯，因此车辆上电池包的空间⾮常有限。电池在车辆运⾏过程中产⽣⼤量的热量且随着时间的累积在

相对狭⼩的空间内内积聚。由于电池包内电芯的密集堆放，也在⼀定程度上造成中间区域散热相对更困

难，加剧了电芯间的温度不⼀致，其结果会降低电池的充放电效率，影响电池的功率；严重时还会导致

热失控，影响系统的安全性和寿命。

动⼒电池的温度对其性能、寿命、安全性影响很⼤。在低温下，锂离⼦电池会出现内阻增⼤、容量变⼩

的现象，极端情况更会导致电解液冻结、电池⽆法放电等情况，电池系统低温性能受到很⼤影响，造成

电动汽车动⼒输出性能衰减和续驶⾥程减少。在低温⼯况下对新能源车辆进⾏充电时，⼀般BMS先将电

池加热到适宜的温度再进⾏充电的操作。如果处理不当，会导致瞬间的电压过充，造成内部短路，进⼀

步有可能会发⽣冒烟、起⽕甚⾄爆炸的情况。电动汽车电池系统低温充电安全问题在很⼤程度上制约了

电动汽车在寒冷地区的推⼴。

电池热管理是BMS中的重要功能之⼀，主要是为了让电池组能够始终保持在⼀个合适的温度范围内进⾏

⼯作，从⽽来维持电池组最佳的⼯作状态。电池的热管理主要包括冷却、加热以及温度均衡等功能。冷

却和加热功能，主要是针对外部环境温度对电池可能造成的影响来进⾏相应的调整。温度均衡则是⽤来

减⼩电池组内部的温度差异，防⽌某⼀部分电池过热造成的快速衰减。如表1所⽰，通常我们期望电池在

20~35℃的温度范围内⼯作，这样能实现车辆最佳的功率输出和输⼊、最⼤的可⽤能量，以及最长的循

环寿命。

表1 动⼒电池温度特性

⼀般来说，动⼒电池的冷却模式主要分为风冷、液冷和直冷三⼤类。风冷模式是利⽤⾃然风或者乘客舱

内的制冷风流经电池的表⾯达到换热冷却的效果。液冷⼀般使⽤独⽴的冷却液管路⽤来加热或冷却动⼒

电池，⽬前此种⽅式是冷却的主流，如特斯拉和volt均采⽤此种冷却⽅式。直冷系统则是省去了动⼒电池

的冷却管路，直接使⽤制冷剂对动⼒电池进⾏冷却。

1、风冷系统：

图2 某动⼒电池风冷路径图（并⾏风道）

值得⼀提的是，对于风冷系统⽽⾔，风道的设计对冷却的效果起着⾄关重要的作⽤。风道主要分为串⾏

风道和并⾏风道，如图3所⽰。串⾏结构简单，但阻⼒⼤；并⾏结构较复杂占⽤空间多，但散热均匀性

好。

图3 串⾏风道和并⾏风道

2、液冷系统

液冷模式即电池采⽤冷却液冷却的⽅式换热，其原理图如下图3所⽰。冷却液分为可直接接触电芯（硅

油，蓖⿇油等）和通过⽔道接触电芯（⽔和⼄⼆醇等）两种；⽬前⽔和⼄⼆醇混合溶液⽤的⽐较多。液

冷系统⼀般会增加⼀个chiller与制冷循环耦合起来，通过制冷剂将电池的热量带⾛；其核⼼部件是压缩

机、chiller和⽔泵。压缩机作为制冷的动⼒发起点，决定着整个系统的换热能⼒。chiller则起到了制冷剂

和冷却液的交换作⽤，⽽换热量的⼤⼩也直接决定着冷却液的温度。⽔泵则决定了管路内冷却液的流

速，流速越快换热性能就会越好，反之亦然。

图3 液冷系统原理图

Chiller(电池冷却器)的基本结构如下图所⽰，⼤家可以把它想象为蒸发器和换热器组合在⼀块的⼀个东

西，知名的供应商如马勒贝尔等。它的主要作⽤为将空调系统的冷媒引⼊，冷媒在蒸发器中吸收电池冷

却回路中传递过来的热量并将热量带⾛，以达到冷却动⼒电池的⽬的。其结构⼀般由⼀个换热器主体，

如下“chiller的⼯作原理”图所⽰，⼀层层的板式换热⽚堆叠组成chiller中换热器的主体，冷却液和冷媒以

对流的形式在其内部流动。在换热器主体中，冷却液和冷媒隔层间隔开，相互形成三明治结构。对流过

程中热量从冷却液转移到冷媒上，以实现换热。电池冷却的效率由Chiller的功率⼤⼩、⽔泵功率的⼤

⼩、冷却液流速、冷媒流速等因素决定。

液冷⽅案的典型代表如特斯拉、通⽤沃蓝达（Volt）等车型。如图4所⽰，Volt采⽤288节45Ah的层叠式

锂离⼦电池；并在单体电池间间隔布置了⾦属散热⽚（厚度为1 mm），散热⽚上刻有流道槽。冷却液可

在流道槽内流动带⾛热量。在低温环境下，加热线圈可以加热冷却液使电池升温。

图4 volt电池热管理的原理图及实物图

如图5所⽰，与VOLT的并⾏流道不同，由于特斯拉采⽤的圆柱形电芯，因此将冷板安装于18650电池的

间隙，形成了串⾏的冷却流道。虽然冷板的设计布置难度较⼤且蛇形冷板在⼀定程度上增加了液冷系统

的压⼒损失，但是其冷却效果做的相当好，能实现整个电池包的温度在正负2℃以内。⼆者的冷却系统对

⽐如表a所⽰。

图5 特斯拉电池热管理的原理图及实物图

表a 特斯拉与沃兰达的冷却系统对⽐

某混动车型的电池热管理原理图及⼯作模式如图所⽰。

混动车辆电池热管理管路原理图

1、电池冷却液罐， 2、电池冷却管路⽔泵， 3、电池PTC加热器， 4、电池冷却液进⼝温度传感器，

5、动⼒电池， 6、电池冷去也出⼝温度传感器， 7、四通阀， 8、电池冷却器（chiller）， 9、电池散热

器， 10、⼤⽓温度传感器， 11、冷凝器， 12、⾼压侧制冷剂压⼒传感器， 13、电动空调压缩机，

14、制冷剂压⼒传感器， 15、热膨胀阀， 16、乘客舱蒸发器， 17、热膨胀阀，18、冷却风扇

模式⼀：当电池的温度处于正常范围时，不需要加热或冷却时，⽔泵驱动使电池冷却液在电池内部循

环，此时主要⽬的是使电池内部的温度保持尽可能⼀致。

模式⼆：当电池的温度较低，需要加热时，电动PTC打开，给冷却液加热，通过图⽰的循环完成对电池

的加热。

模式三：当外界温度不算太⾼，电池需要加热时，四通阀切换到电池散热器的管路，如图所⽰。此模式

下冷却液的热量主要通过电池散热器散发到空⽓中。

模式四:在较⾼的环境温度，电池需要散热，且仅通过散热器不能满⾜要求是，四通阀切换到chiller的管

路，如图。此模式下冷却液的热量通过chiller传递给制冷剂，制冷剂再传递到空⽓中。

液冷系统的形式⽐较灵活，可以在电池模块间设置冷却流道（⽬前是主流），也可以在电池底部使⽤冷

却板，或者将电芯或模组沉浸在冷却液中。液冷系统的优势在于换热系数⾼，速率快，均温性好，能实

现较精确的温度控制；缺点是系统⽐较复杂，系统的密封性要求⾼，冷却系统占了电池包的相当⼀部分

3、直冷系统：

直冷系统是利⽤空调系统的制冷剂直接冷却动⼒电池的，原理图如图11所⽰。将空调系统的蒸发器直接

安装在电池系统中，制冷剂在蒸发器中蒸发直接将电池系统产⽣的热量带⾛，从⽽实现更快、更有效地

冷却过程。

图11 直冷系统原理图

⽬前采⽤直冷冷却的车型还较少，最典型的如BMW i3。由于没有液体的中间换热，因此制冷系统的结构

紧凑，冷却效率更⾼（⽐液冷⾼出3~4倍），成本相对较⼩。但存在的问题在于由于制冷剂在管路内⽓液

态转化，整个系统的控制⽐较复杂，均温性较差。且对系统的耐⾼压和密封等均具有较⾼要求，在整车

上应⽤的风险较⼤。

下⼀节我会给⼤家带来热泵空调系统相关的介绍，请⼤家关注，谢谢！