2.4 熱管理系統設計
2.4.1 熱管理系統設計要求
熱管理系統設計的總體目標是使電池包在全周期使用工況下運行在一個適合電池工作的溫度，在確保使用安全性的同時減緩電池的容量衰減和壽命衰減，為動力電池系統提供一個熱環境穩定的工作空間。
為此，在熱管理系統設計中，需要從系統的角度去考慮控制電池單體的工作溫度和控制不同電池單體的溫度差，前者會嚴重影響整個電池包的性能和壽命，后者會嚴重加劇電池包內部的短板效應，導致電池組一致性變差。要達到這樣的目標，熱管理系統的設計就應當考慮散熱、加熱、熱均衡、保溫這4個方面的措施。
1．散熱要求
所設計的熱管理系統應能在一定的時間內帶走一定的熱量，使動力電池系統內各電池單體在不同環境溫度的工作狀態下不超過某一溫度限值。
2．熱均衡要求
熱管理系統的設計應使動力電池系統內各并聯、串聯電池單體間的溫度差異穩定控制在某一限值以內。
3．加熱要求
在電池因寒冷天氣或位于高寒地帶而無法工作時，動力電池系統應具備加熱功能，使其在短時間內溫度升高至可運轉溫度。
4．保溫要求
熱管理系統應能使動力電池系統不受外界高低溫的影響，高溫下隔絕熱量進入，低溫下阻擋熱量逸出。
2.4.2 熱管理系統設計方案
熱管理系統的設計方案主要是基于單體電池的溫度控制要求，確認動力電池系統的冷卻散熱、加熱和保溫設計方案。
1．冷卻方案
常見的冷卻方式主要有自然冷卻、強制風冷、液冷和直冷，這四種冷卻方式的冷卻效率依次增強，冷卻效率主要是通過對流換熱系數來表征，一般情況下根據整車使用環境、整車工況和電池單體特性確定系統所需要的對流換熱系數，然后綜合質量、空間和成本等因素確定冷卻方式。
如圖2.2所示，冷卻方式的選擇包括如下步驟：①冷卻系統目標確認；②產熱功率計算；③電池單體模型建立；④熱流體仿真分析；⑤對流換熱系數分析；⑥冷卻方式選擇。
圖2.2 冷卻方式選擇
按照冷卻介質的不同，現階段已經有產品應用的冷卻方式主要分為空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻三種方式。這三種方式的冷卻散熱能力依次增強，但冷卻系統的結構復雜度也依次增加。除了根據冷卻介質進行區分以外，也常常依據制冷散熱過程中是否消耗額外能源分為主動冷卻和被動冷卻兩種形式。
（1）空氣自然冷卻
采用自然冷卻散熱方式是典型的以空氣作為傳熱介質的被動散熱方案，即直接讓電池箱體內部的空氣穿過電池模組，通過空氣與電池、電池箱體等導熱部件之間的對流換熱實現對電池進行冷卻的目的。這種方式的對流換熱系數較小，一般約為5～25W/（m2·K）。由于空氣自然冷卻方案具有結構簡單、零部件數量少、成本低等優點，是目前應用范圍最廣泛的一種散熱方式。例如吉利帝豪純電動EV（2016版）、比亞迪純電動c6、日本日產純電動Leaf（2011版）、德國大眾純電動e-Golf（2014版）等均采用了空氣自然冷卻方案。自然冷卻主要需要確定導熱路徑，并優化自然對流換熱的效率。
（2）空氣強制對流
盡管空氣自然冷卻方案比較容易實現，但冷卻散熱效果有限?？諝鈴娭茖α鲃t是通過運動產生的風將電池箱體內部電池的熱量經過排風扇帶走，是一種主動散熱方式，因而散熱效率更高，這種方式的對流換熱系數約為50～100W/（m2·K）?？諝鈴娭茖α鞣绞降膬烖c是結構簡單，重量輕，成本較低，有害氣體產生時能有效通風等。缺點在于這種換熱方式的換熱系數低，從而造成冷卻和加熱速度慢；同時對于風道的設計要求很高，很難達到流場一致，導致電池單體溫度一致性不好。目前，應用空氣強制對流方案的主要有美國福特插電式混合動力C-Max（2013版）、美國通用雪佛蘭中混Malibu Eco（2013版）、日本三菱純電動iMieV（2011版）、法國雷諾純電動ZOE（2012版）等。強制風冷系統主要包括出入風口、風道、風扇和防塵裝置等，主要的問題是確定導熱路徑、進風口位置和進風口直徑、風道布置、冷卻策略等。
（3）液體冷卻
一般工況下，采用空氣介質冷卻即可滿足冷卻散熱要求，但在復雜工況下，尤其在高放電倍率（如插電式混合動力應用）、高充電倍率（如快充應用場合）較高的運行環境溫度（南方夏季酷熱天氣）時，依靠空氣冷卻顯然很難滿足散熱需求，而且電池之間的溫度不均勻性也非常突出，因此需要效率更高的傳熱介質才能達到電池包的散熱要求。液體介質相對于空氣介質擁有更大的換熱系數，通常以50%的水和50%乙二醇（體積分數）的混合物作為傳熱介質，通過設置的具有冷卻液流道的薄壁液冷管道液冷板將熱量導出，實現冷卻液與電池之間的換熱，可以比空氣強制對流實現更高的散熱需求。這種方式的換熱系數可以達到500～1500W/（m2·K）。另外，也有采用礦物油作為傳熱介質，將電池直接浸泡在液體介質中，即屬于液體接觸式冷卻的一種方案。目前，應用液體冷卻方案的主要有華晨寶馬之諾純電動1E（2013版）、華晨寶馬之諾插電式混合動力60H（2016版）、吉利帝豪純電動EV（2017版）、美國特斯拉Model S（2013版）、美國通用雪佛蘭純電動Spark（2013版）和插電式混合動力Volt（2011版）等。液體冷卻方案主要包括液冷管路、液冷板、導熱層、支撐結構和冷卻策略等，概念設計主要涉及液冷回路及液冷板、管接頭選型方案、冷卻策略確定、導熱路徑等。
（4）相變材料冷卻
相變材料（Phase Change Material，PCM）是一種能夠利用自身的相變潛熱吸收或釋放系統熱能的材料，在其物相變化過程中，可以從外界環境吸收熱量或者向外界環境放出熱量，從而達到通過能量交換控制環境溫度和利用能量的目的。采用PCM的熱管理系統是通過PCM在相變過程中的潛熱在電池升溫時來吸收電池的熱量，同時減小電池單體之間溫度差。目前，僅德國寶馬增程式純電動采用了制冷劑RB34 a（1，1，1，2-四氯乙烷）的直冷方式，這種方式的換熱系數可以達到2500～25000 W/（m2· K），冷卻效率比液體冷卻更高，更能滿足快充需求，同時結構緊湊，質量小。相變材料冷卻方案與液體冷卻方案基本類似。
2．加熱方案
由于汽車地域適用性較為廣泛，在冬季寒冷地區要使電動車輛能正常使用，必須對電池加入額外的加熱系統以滿足要求。尤其是冬季低溫條件下，電池的活性變差，負極石墨材料的鋰離子嵌入能力下降，如果采用大電流充電則電池內部可能出現析鋰，影響充電效率和安全。因此，為了在低溫環境下能夠保證電池正常充電，需要對電池進行加熱升溫。常見的加熱方式有三種：電加熱膜加熱、陶瓷PTC加熱和液熱。加熱膜屬于電阻加熱方式，一般是將金屬加熱絲封裝于絕緣層內，金屬絲通電之后發熱可對電池系統進行加熱。PTC加熱器也是電阻加熱的一種，不同的是它的電阻會隨自身溫度的升高而增大，從而達到恒溫加熱的效果。液熱則是通過整車PTC加熱部件將冷卻液加熱到一定溫度，利用主動液冷系統來對電池系統加熱的一種方式。加熱方式的選擇主要是根據電池單體升溫速率、空間限制、對安全性的要求和成本來確定的，其中三種加熱方式的主要特性對比見表2.3。
表2.3 常見的三種加熱方式特性
電加熱膜概念設計主要包括：加熱膜安裝位置選擇、加熱膜發熱功率選擇、加熱回路內部的串并聯方式及干燒溫度控制要求等。如果不受安裝空間限制，也可選用PTC加熱片，其概念設計主要包括：PTC加熱片安裝位置、PTC加熱片發熱功率、加熱回路內部的串并聯方式、干燒溫度控制要求等。如果采用的是主動液冷系統，則可以集成液熱，主要確定冷卻液入口溫度和流量。
3．保溫方案
針對南方夏季高溫天氣，車輛在長時間高溫熱輻射作用下，熱量會進入到電池箱內部，導致電池箱體內部溫度過高。針對北方冬季嚴寒天氣，車輛停放時間較長之后，電池箱體內部溫度會快速下降，影響車輛的再次充電和起動；或者在對動力電池系統進行加熱過程中，由于電池箱散熱速度太快，也會影響加熱速度和效果。因此，需要通過保溫設計減少外部夏季高溫或者冬季低溫環境對電池箱內部電池的影響。通常采用保溫材料起到隔熱的作用，減少外部環境因素的影響。保溫系統通常是配合冷卻系統和加熱系統完成工作的，優良的保溫系統不僅可以提高冷卻和加熱的效率，而且還可以降低能耗。保溫概念設計主要包括：保溫材料選擇、箱體保溫材料的布置方案設計等。