干货 | 动力电池热管理系统组成及设计流程

动力电池是电动汽车的能源。在充放电过程中，电池本身会产生一定的热量，从而导致温度升高，而温度的升高会影响电池的许多工作特性参数，如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿命。电池的热效应也会影响整车的性能和循环寿命，因此做好电池的性能和寿命以及整车行驶里程的热管理非常重要。接下来，我们就从电池热管理系统及设计流程、组件类型及选型、性能及验证等方面与大家聊聊：01动力电池热管理的必要性1。电池发热由于电池阻抗的存在，在电池的充放电过程中，电流通过电池，导致电池内部发热。此外，电池内部的电化学反应也会产生一定量的热量。2.温度升高对电池寿命的影响。温度升高会影响电池的日历寿命和循环寿命。

从上面两张图可以看出，温度对电池的日历寿命有很大影响。对于同一个电池单元，在23℃的环境温度下，电池的剩余容量在6238天后为80%，但在55℃下，电池在272天后的剩余容量已达到80%。当温度上升32℃时，电池的日历寿命会下降95%以上。因此，温度对日历寿命有很大影响，温度越高，日历寿命下降越严重。

从上面两张图可以看出，温度对电池的循环寿命也有很大的影响。对于相同的电池，当剩余容量为90%时，25℃时的输出容量为300kWh，而35℃时的产量仅为163kWh。当温度上升10℃时，电池的循环寿命会下降近50%。可以看出，温度对电池的循环寿命有很大的影响。因此，为了优化电池组的性能，有必要设计一个热管理系统，以确保每个电池单元在合理的温度范围内工作。热管理系统的分类和介绍不同的热管理系统由于零件类型不同、结构不同、重量不同、系统成本不同以及控制方法不同，具有不同的性能。主要有以下五类：

1.直接冷却系统

直接冷却系统具有系统紧凑、重量轻、性能好的优点。然而，该系统是一个双蒸发器系统，没有电池加热，没有冷凝水保护，制冷剂温度控制困难，使用寿命短。2、低温散热器冷却系统

低温散热器的冷却系统是一个独立的电池系统，由散热器、水泵和加热器组成。该冷却系统在低温环境下具有系统简单、成本低、经济节能的优点。然而，该系统也有一些缺点，如冷却性能低、夏季水温高以及受天气影响应用有限。3.直接冷却水冷却系统

直接冷却水冷却系统具有系统紧凑、冷却性能好、工业应用广泛的优点。然而，该系统比直接冷却有很多部件，系统复杂，燃油经济性差，压缩机负荷高。这种类型的冷却系统是目前最常用的电池热管理系统之一。4、风冷/wat……

冷却混合冷却系统

风冷/水冷混合冷却系统有两个关键部件：1）水冷电池冷却器；2） 风冷式蓄电池散热器。风冷/水冷混合冷却系统在低温环境下具有系统紧凑、性能好、经济节能的优点。然而，该系统复杂、成本高、控制复杂，并且需要高可靠性。5.直接空气冷却系统

该系统利用驾驶舱内的低温空气来冷却电池。直接空气冷却系统具有系统简单、空气温度可控、成本低的优点。然而，该系统并不适用于所有类型的电池，浸泡后恢复缓慢，电池内部存在污染风险。03热管理系统设计流程1。产品开发过程电池热管理系统的开发过程应与电池组的开发过程一致。热管理系统的设计贯穿于电池组的整个设计过程。整车开发经历了五个阶段：样品A、样品B、样品C、样品D和最终产品。电池的热管理参与各个阶段的设计、改造、试制和验证。

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2.热管理开发过程要设计出性能良好的电池组热管理系统，应采用系统的设计方法。电池热管理系统的设计过程包括以下七个步骤：

1

设计过程中的关键技术1。确定电池的最佳工作温度范围由于气候和车辆运行条件对电池有很大的影响，因此在设计BTMS时有必要确定电池组的最优工作温度范围。目前，电动汽车使用的电池主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。1） 研究发现，铅酸电池的寿命随着温度的升高呈线性下降，但充电效率呈线性上升，充电接受度随着电池温度的降低而下降，尤其是在0℃以下；

模块之间的温度梯度降低了整个电池组的容量，因此建议保持电池组内温度的均匀分布，并将现有铅酸电池的温度控制在35~40℃之间。效率和最大工作功率在-26~65℃范围内增加。

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2） 当镍氢电池的温度超过50℃时，充电效率和电池寿命将大大衰减，电池在低温下的放电容量远小于正常温度。下图显示了80Ah镍氢电池在不同温度下的放电效率。从图中可以看出，当温度高于40℃或低于0℃时，电池的放电效率显著降低。如果仅根据此限制，该电池的工作范围应在0~40℃之间。

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3） 与镍氢电池和铅酸电池相比，锂离子电池的能量密度更高，产生的热量更多，因此对散热的要求更高。锂离子电池的最佳工作温度在20～75℃之间。铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池热管理的必要性取决于它们各自的发热率、能源效率和性能的温度敏感性。镍氢电池（高温>：40℃）产生的热量最多，效率最低，容易发生热失控事故。因此，镍氢电池非常需要热管理，许多用液体冷却镍氢电池的努力也突出了这一点。

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2.电池热场的计算和温度预测电池不是一个良好的热导体，电池的表面温度分布不能完全解释电池的内部热状态。通过数学模型计算电池内部温度场，预测电池的热行为，是必不可少的环节。通常使用以下公式进行计算：其中：a和t为温度；B、 ρ为平均密度；C和Cp是电池的比热；D、 kx、ky和kz分别是电池在X、Y和Z方向上的热导率；

E和q是每单位体积的热量产生率。3.电池发热率

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电池充电过程中产生的反应热可以分为两个阶段。第一阶段：在充电副反应发生之前，热量的产生主要来自电池的化学反应、电池的极化和内阻焦耳热。第二阶段：过充电副反应后，发热主要来自电池的化学反应热、电池的极化热、过充电的副反应热和内部焦耳热。产生的大部分热量来自过度充电的副反应。在充电和过度充电结束时，过度充电的副作用开始出现。电池放电过程中产生的热量主要来自化学反应热、极化热和内阻焦耳热。需要指出的是，镍氢电池放电过程中的化学反应是吸热的，可以吸收一些热量，因此发热问题不是很严重。电池的内阻是影响电池发热率的一个关键指标。它会随着电池的SOC而变化。在获得电池的内阻值之后，可以通过计算获得电池的发热量。下图显示了12 V ~80 Ah镍氢电池模块在不同SOC下的内阻值。

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专门设计的量热计可以直接测量电池的发热量和电池的热容。4.电池发热的主要因素

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5.散热结构设计电池箱内不同电池模块之间的温差会加剧电池内阻和容量的不一致。如果长期积累，部分电池会被过度充电或过度放电，这将进一步影响电池的寿命和性能，并造成安全隐患。电池箱内电池模块的温差与电池组的排列有很大关系。一般来说，位于中间位置的电池容易积聚热量，边缘的电池散热条件较好。因此，在电池组的结构布置和散热设计中，我们应该尽最大努力确保电池组散热的均匀性。以风冷散热为例。一般有两种通风模式：串联和并联，如下图所示。

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在串行通风模式下，冷空气从左侧吹进，从右侧吹出。空气在流动过程中不断加热，因此右侧的冷却效果比左侧差，电池盒中的电池组温度从左到右依次升高。平行通风使空气流在电池模块之间更均匀地分布。平行通风模式需要设计好进排气通道和电池的布置位置。楔形的进排气通道使不同模块之间的压差基本一致，保证了流经不同电池模块的气流的一致性，从而保证了电池组温度场分布的一致性。6.风扇和测温点的选择在设计电池热管理系统时，风扇的类型和功率、温度传感器的数量以及测温点的位置应该恰到好处。以空气冷却为例，在设计冷却系统时，应尽可能降低流阻、风扇噪音和功耗，以提高整个系统的效率，同时确保一定的冷却效果。风扇的功耗可以通过实验、理论计算和流体力学的CFD模拟来估计压降和流速来估计（在这种情况下使用FloEFD软件）。当流动阻力较小时，可以考虑轴流风机；

当流动阻力高时，离心式风扇更适合。当然，我们还应该考虑风扇占用的空间大小和成本。找到最佳的风扇控制策略也是热管理系统的功能之一。动力电池是电动汽车的能源。在充放电过程中，电池本身会产生一定的热量，从而导致温度升高，而温度的升高会影响电池的许多工作特性参数，如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿命。电池的热效应也会影响整车的性能和循环寿命，因此做好电池的性能和寿命以及整车行驶里程的热管理非常重要。接下来，我们就从电池热管理系统及设计流程、组件类型及选型、性能及验证等方面与大家聊聊：01动力电池热管理的必要性1。电池发热由于电池阻抗的存在，在电池的充放电过程中，电流通过电池，导致电池内部发热。此外，电池内部的电化学反应也会产生一定量的热量。2.温度升高对电池寿命的影响。温度升高会影响电池的日历寿命和循环寿命。

从上面两张图可以看出，温度对电池的日历寿命有很大影响。对于同一个电池单元，在23℃的环境温度下，电池的剩余容量在6238天后为80%，但在55℃下，电池在272天后的剩余容量已达到80%。当温度上升32℃时，电池的日历寿命会下降95%以上。因此，温度对日历寿命有很大影响，温度越高，日历寿命下降越严重。

从上面两张图可以看出，温度对电池的循环寿命也有很大的影响。对于相同的电池，当剩余容量为90%时，25℃时的输出容量为300kWh，而35℃时的产量仅为163kWh。当温度上升10℃时，电池的循环寿命会下降近50%。可以看出，温度对电池的循环寿命有很大的影响。因此，为了优化电池组的性能，有必要设计一个热管理系统，以确保每个电池单元在合理的温度范围内工作。热管理系统的分类和介绍不同的热管理系统由于零件类型不同、结构不同、重量不同、系统成本不同以及控制方法不同，具有不同的性能。主要有以下五类：

1.直接冷却系统

直接冷却系统具有系统紧凑、重量轻、性能好的优点。然而，该系统是一个双蒸发器系统，没有电池加热，没有冷凝水保护，制冷剂温度控制困难，使用寿命短。2、低温散热器冷却系统

低温散热器的冷却系统是一个独立的电池系统，由散热器、水泵和加热器组成。该冷却系统在低温环境下具有系统简单、成本低、经济节能的优点。然而，该系统也有一些缺点，如冷却性能低、夏季水温高以及受天气影响应用有限。3.直接冷却水冷却系统

直接冷却水冷却系统具有系统紧凑、冷却性能好、风大等优点……

试用申请。然而，该系统比直接冷却有很多部件，系统复杂，燃油经济性差，压缩机负荷高。这种类型的冷却系统是目前最常用的电池热管理系统之一。4、风冷/水冷混合冷却系统

风冷/水冷混合冷却系统有两个关键部件：1）水冷电池冷却器；2） 风冷式蓄电池散热器。风冷/水冷混合冷却系统在低温环境下具有系统紧凑、性能好、经济节能的优点。然而，该系统复杂、成本高、控制复杂，并且需要高可靠性。5.直接空气冷却系统

该系统利用驾驶舱内的低温空气来冷却电池。直接空气冷却系统具有系统简单、空气温度可控、成本低的优点。然而，该系统并不适用于所有类型的电池，浸泡后恢复缓慢，电池内部存在污染风险。03热管理系统设计流程1。产品开发过程电池热管理系统的开发过程应与电池组的开发过程一致。热管理系统的设计贯穿于电池组的整个设计过程。整车开发经历了五个阶段：样品A、样品B、样品C、样品D和最终产品。电池的热管理参与各个阶段的设计、改造、试制和验证。

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2.热管理开发过程要设计出性能良好的电池组热管理系统，应采用系统的设计方法。电池热管理系统的设计过程包括以下七个步骤：

1

设计过程中的关键技术1。确定电池的最佳工作温度范围由于气候和车辆运行条件对电池有很大的影响，因此在设计BTMS时有必要确定电池组的最优工作温度范围。目前，电动汽车使用的电池主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。1） 研究发现，铅酸电池的寿命随着温度的升高呈线性下降，但充电效率呈线性上升，充电接受度随着电池温度的降低而下降，尤其是在0℃以下；

模块之间的温度梯度降低了整个电池组的容量，因此建议保持电池组内温度的均匀分布，并将现有铅酸电池的温度控制在35~40℃之间。效率和最大工作功率在-26~65℃范围内增加。

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2） 当镍氢电池的温度超过50℃时，充电效率和电池寿命将大大衰减，电池在低温下的放电容量远小于正常温度。下图显示了80Ah镍氢电池在不同温度下的放电效率。从图中可以看出，当温度高于40℃或低于0℃时，电池的放电效率显著降低。如果仅根据此限制，该电池的工作范围应在0~40℃之间。

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3） 与镍氢电池和铅酸电池相比，锂离子电池的能量密度更高，产生的热量更多，因此对散热的要求更高。锂离子电池的最佳工作温度在20～75℃之间。铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池热管理的必要性取决于它们各自的发热率、能源效率和性能的温度敏感性。镍氢电池（高温>：40℃）产生的热量最多，效率最低，容易发生热失控事故。因此，镍氢电池非常需要热管理，许多用液体冷却镍氢电池的努力也突出了这一点。

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2.电池热场的计算和温度预测电池不是一个良好的热导体，电池的表面温度分布不能完全解释电池的内部热状态。通过数学模型计算电池内部温度场，预测电池的热行为，是必不可少的环节。通常使用以下公式进行计算：其中：a和t为温度；B、 ρ为平均密度；C和Cp是电池的比热；D、 kx、ky和kz分别是电池在X、Y和Z方向上的热导率；

E和q是每单位体积的热量产生率。3.电池发热率

5

电池充电过程中产生的反应热可以分为两个阶段。第一阶段：在充电副反应发生之前，热量的产生主要来自电池的化学反应、电池的极化和内阻焦耳热。第二阶段：过充电副反应后，发热主要来自电池的化学反应热、电池的极化热、过充电的副反应热和内部焦耳热。产生的大部分热量来自过度充电的副反应。在充电和过度充电结束时，过度充电的副作用开始出现。电池放电过程中产生的热量主要来自化学反应热、极化热和内阻焦耳热。需要指出的是，镍氢电池放电过程中的化学反应是吸热的，可以吸收一些热量，因此发热问题不是很严重。电池的内阻是影响电池发热率的一个关键指标。它会随着电池的SOC而变化。在获得电池的内阻值之后，可以通过计算获得电池的发热量。下图显示了12 V ~80 Ah镍氢电池模块在不同SOC下的内阻值。

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专门设计的量热计可以直接测量电池的发热量和电池的热容。4.电池发热的主要因素

7

5.散热结构设计电池箱内不同电池模块之间的温差会加剧电池内阻和容量的不一致。如果长期积累，部分电池会被过度充电或过度放电，这将进一步影响电池的寿命和性能，并造成安全隐患。电池箱内电池模块的温差与电池组的排列有很大关系。一般来说，位于中间位置的电池容易积聚热量，边缘的电池散热条件较好。因此，在电池组的结构布置和散热设计中，我们应该尽最大努力确保电池组散热的均匀性。以风冷散热为例。一般有两种通风模式：串联和并联，如下图所示。

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在串行通风模式下，冷空气从左侧吹进，从右侧吹出。空气在流动过程中不断加热，因此右侧的冷却效果比左侧差，电池盒中的电池组温度从左到右依次升高。平行通风使空气流在电池模块之间更均匀地分布。平行通风模式需要设计好进排气通道和电池的布置位置。楔形的进排气通道使不同模块之间的压差基本一致，保证了流经不同电池模块的气流的一致性，从而保证了电池组温度场分布的一致性。6.风扇和测温点的选择在设计电池热管理系统时，风扇的类型和功率、温度传感器的数量以及测温点的位置应该恰到好处。以空气冷却为例，在设计冷却系统时，应尽可能降低流阻、风扇噪音和功耗，以提高整个系统的效率，同时确保一定的冷却效果。风扇的功耗可以通过实验、理论计算和流体力学的CFD模拟来估计压降和流速来估计（在这种情况下使用FloEFD软件）。当流动阻力较小时，可以考虑轴流风机；

当流动阻力高时，离心式风扇更适合。当然，我们还应该考虑风扇占用的空间大小和成本。找到最佳的风扇控制策略也是热管理系统的功能之一。8

同侧风道流线图

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不同侧风管流线图

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电池盒中电池组的温度分布通常不均匀，因此有必要了解不同条件下电池组的热场分布，以确定危险温度点。大量的温度传感器具有温度测量全面的优点，但会增加系统成本。考虑到温度传感器可能出现故障，整个系统中的温度传感器数量不应太少，至少两个。根据不同的实际工程背景，可以通过有限元分析、实验中的红外热成像或实时多点温度监测来分析和测量电池组、电池模块和电池单元的热场分布，并且可以确定温度测量点的数量以在不同区域中找到合适的温度测量点。一般设计应确保温度传感器不被冷却风吹走，以提高温度测量的准确性和稳定性。在设计电池时，有必要为温度传感器预留空间，例如，可以在适当的位置设计适当的孔。热管理系统性能评估仿真是电池热管理系统最有效的评估方法之一。根据空冷和水冷项目的经验，模拟可以完成以下任务：1）水冷系统冷却板压降的计算和冷却水流量一致性的计算；2） 电池组的热性能评估和计算；

3） 空气冷却系统的优化计算。1.辐射电池组热管理案例以下是混合动力汽车的车辆热管理，包括电池组热管模型、乘客舱模型、发动机冷却、暖通空调、机油冷却系统和电机冷却系统FLOMSTER软件（软件原名FLOMSTER）仿真模型，其中对电池冷却系统进行了一系列的设计仿真工作。

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针对电池组，建立了电池单元模型和冷却模型。考虑到电池的热容、热阻和热桥，研究了电池的冷却和加热过程。获得了满足冷却温度要求的水流量（电池芯不超过40℃），在规定的30分钟内将温度提高30℃的加热功率，以及每个电池芯在加热过程中的温度均匀性和磁滞性能。

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2.直接风冷电池组本案例为三菱欧蓝德模型的热管理模拟，获得了不同气象条件下蒸发器出口的冷空气状态和电池温度以及整个测试周期。

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3.空气/水混合冷却电池组以下模型为空气/水混合物冷却电池热管理和车辆热管理模型，并对系统在不同季节和不同车辆条件下的热管理进行模拟。结合控制策略，研究了不同档位的加热和电池加热条件以及纯加热条件，为系统设计和控制策略优化提供了重要依据。

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最后，小编想说的是，电池的温度直接影响电池的安全性，因此电池热管理系统的设计和研究是电池系统设计中最关键的任务之一。为了确保电池的性能和安全，电池系统的热管理设计和验证必须严格按照电池热管理的设计流程、电池的热管理系统和组件类型进行，热管理系统的部件选择和热管理系统性能评估。文章来源：海基科技

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同侧风道流线图

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不同侧风管流线图

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电池盒中电池组的温度分布通常不均匀，因此有必要了解不同条件下电池组的热场分布，以确定危险温度点。大量的温度传感器具有温度测量全面的优点，但会增加系统成本。考虑到温度传感器可能出现故障，整个系统中的温度传感器数量不应太少，至少两个。根据不同的实际工程背景，可以通过有限元分析、实验中的红外热成像或实时多点温度监测来分析和测量电池组、电池模块和电池单体的热场分布，以及透射电镜的数量……

可以确定温度测量点，以便在不同区域找到合适的温度测量点。一般设计应确保温度传感器不被冷却风吹走，以提高温度测量的准确性和稳定性。在设计电池时，有必要为温度传感器预留空间，例如，可以在适当的位置设计适当的孔。热管理系统性能评估仿真是电池热管理系统最有效的评估方法之一。根据空冷和水冷项目的经验，模拟可以完成以下任务：1）水冷系统冷却板压降的计算和冷却水流量一致性的计算；2） 电池组的热性能评估和计算；3） 空气冷却系统的优化计算。1.辐射电池组热管理案例以下是混合动力汽车的车辆热管理，包括电池组热管模型、乘客舱模型、发动机冷却、暖通空调、机油冷却系统和电机冷却系统FLOMSTER软件（软件原名FLOMSTER）仿真模型，其中对电池冷却系统进行了一系列的设计仿真工作。

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针对电池组，建立了电池单元模型和冷却模型。考虑到电池的热容、热阻和热桥，研究了电池的冷却和加热过程。获得了满足冷却温度要求的水流量（电池芯不超过40℃），在规定的30分钟内将温度提高30℃的加热功率，以及每个电池芯在加热过程中的温度均匀性和磁滞性能。

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2.直接风冷电池组本案例为三菱欧蓝德模型的热管理模拟，获得了不同气象条件下蒸发器出口的冷空气状态和电池温度以及整个测试周期。

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3.空气/水混合冷却电池组以下模型为空气/水混合物冷却电池热管理和车辆热管理模型，并对系统在不同季节和不同车辆条件下的热管理进行模拟。结合控制策略，研究了不同档位的加热和电池加热条件以及纯加热条件，为系统设计和控制策略优化提供了重要依据。

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最后，小编想说的是，电池的温度直接影响电池的安全性，因此电池热管理系统的设计和研究是电池系统设计中最关键的任务之一。为了确保电池的性能和安全，电池系统的热管理设计和验证必须严格按照电池热管理的设计流程、电池的热管理系统和组件类型进行，热管理系统的部件选择和热管理系统性能评估。文章来源：海基科技

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标签：大运发现三菱

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