(大连中比动力电池有限公司 辽宁大连 116450)
摘要：锂电池因其电压高、重量轻、高能量密度、寿命周期长等优点已广泛应用于动力汽车。对于锂电池而言，以上特性的发挥需要在适宜的温度环境下实现的。本文将从锂电池PACK设计端分析热管理中的一些关键因素，以供参考。
关键词：锂电池PACK；热管理
引言：
由于动力电池系统所处环境及自身温度直接影响其正常运行、循环寿命、安全性、可靠性、充电可接受性、输出功率和可用能量等，因此，为了使电池系统达到最佳的性能和寿命，需要引入热管理系统对电池进行低温加热、高温散热，调节和控制电池的温升以及温差，从而实现电池组温度均匀化，保证电池工作在温度适宜的环境中，以使电池性能衰减速度降低并消除相关的潜在安全风险。通过Pack热管理系统对温度进行调节和控制，使动力电池始终保持在合适的温度范围中运行，对提高动力电池系统的性能和效率，延长其使用寿命，降低电动车辆的成本，保障电动车辆的安全使用等方面都有重要的现实意义。
1.锂电池PACK热管理类型
1.1冷却系统设计
自然冷却、强制风冷、液冷和制冷剂直接冷却（简称直冷）为常见的四种冷却方式。其中，自然冷却、强制风冷和液冷这三种冷却方式都是利用冷却工质流过热功耗表面时发生的对流换热将热量带走，过程中冷却工质没有发生相变。直冷是冷却工质发生相变，并在冷板中利用相变吸热带走大量的热量。
表1-1列出了四种冷却方式的冷却效率的对比，从表中的数据不难看出，液冷和直冷的冷却效率比自然冷却和强制风冷高出几个量级。此外，除了冷却效率之外，还需要综合考虑冷却均匀性、结构设计、成本和能耗等因素。
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1.1.1自然冷却系统
利用空气的自然对流换热，将电池单体、模组或Pack的热量传递到周围空气中，从而在一定程度上降低动力系统的温度为自然冷却系统的突出特点。由于空气的导热系数非常低，且自然对流的空气流动也较弱，因此自然冷却的散热效率一般较低。此外，当其它热源不存在于电池系统周围时，动力系统中的温差也可以控制在较小的范围内。自然冷却方式缺点是冷却效率较低，但优点为成本较低、空间占用较小以及在无外部热源时电池单体间的温差较小。在缓和的运行工况和对成本要求较高且空间十分有限以致不足以设计热管理系统的情况下，自然冷却方式是可取的一种选择。
1.1.2强制风冷系统
强制风冷是将空气通过风扇引入箱体内部，空气在风扇的作用下，以一定的流速掠过模组及电芯的外表面，同时将电池系统内部的热量散入到环境空气中。强制风冷系统设计主要包括风扇选型、风道设计、冷却空气温度选择、热流体仿真分析和测试验证等内容。综合来看，强制风冷系统的散热效果较自然冷却有明显的提升，但远比不上液冷，且冷却均匀性也比较差，同时加入风扇使电池系统的密封性很难兼顾。
1.1.3液冷系统
电池系统内部液冷系统将电芯产生的热量带出电池系统，然后进入电池系统外部液冷回路中，紧接着这部分热量通过换热器传递给整车空调系统，最后通过整车空调系统将这部分热量传递到环境空气中。液冷系统设计主要包括模组热设计、液冷工质的选型、液冷板焊接方式选择和液冷系统设计等内容。
如今常用的液冷系统方式为：集成式液冷系统。集成式液冷系统是将系统集成在电池箱体上，进出铝管、箱体侧板和口琴管组成一个液冷系统，冷却液从入口流入，经过模组侧板和口琴管，最后通过出口流出。口琴管与隔板纵横交错形成栅格，将电芯放入栅格中并保证电芯的大面与口琴管贴合，进而对电芯进行冷却。这种液冷方式的主要优点有两个：①采用电芯大面作为液冷的冷却界面，冷却效率较高；②液冷系统的结构组件借用了箱体的结构组件，使得电池系统更轻。
1.1.4直冷系统
直冷系统利用的是制冷工质的相变制冷原理，又叫直接冷却系统，它。主要由蒸发器、冷凝器、压缩机和节流装置组成。冷板通常安装在模组底部并且通过导热绝缘材料与模组紧密贴合，制冷工质流经冷板时发生相变吸热而将电芯的热量带出电池系统。直冷系统的散热效率不但是液冷系统的的3~4倍，因此更能满足快充需求；而且结构更为紧凑。整体来看，直冷系统在未来可能会被推广开来。
1.2加热系统设计
加热系统的功能是在保证电池单体的温度一致性前提下，将电池系统中所有电池单体的温度快速加热到特定的温度，。因此与之对应的两个功能需求参数则是电池单体的温升速率和电池单体间的温差。通常使用的的加热方式主要有三种:PTC加热、电加热膜和液热。表1-2列出了三种热方式的特点。
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1.2.1电加热设计
电加热膜一般由绝缘包覆膜、电阻丝、引出导线和接插件组成。电阻丝一般为铁铬合金、镍铬合金和不锈钢304。绝缘包覆层一般为聚酰亚胺（PI）、硅胶和环氧树脂。电加热膜根据电芯形状和加热性能要求可安装在模组侧边、模组底部和电池间隙三种方式。
1.2.2PTC加热设计
PTC加热器主要由导热金属板、PTC元件和引出线组成。PTC元件是PTC加热器的发热元件，它通过引出导线串入加热高压回路，并被绝缘密封于导热金属板内部。同时PTC加热采用正温度系数的材料。电阻会随温度的升高而增加，即当加热器温度升高时，内阻增大引起加热功率减小，进而导致自身温度下降，当加热温度下降时，其内阻减小引起加热功率增大，自身温度升高，由此将自身的温度控制在设定值，从而保障加热的安全性。
1.2.3液热设计
液热是建立在液冷系统之上的一种加热形式，通过在外循环冷却回路中并入一个加热回路，并可以对电池系统进行加热。这种加热形式在实现较高温升速率的同时，将干烧温度控制在一个较低的水平，且大部分零部件与液冷系统共用。
结束语
锂电池Pack热管理系统的设计和开发对于保障电动汽车的安全性和可靠性有着重要的意义。电池组温度的一致性程度可通过合理的电池热管理系统提高，并通过电池热管理系统调节和控制电池的工作温度范围，使电池系统处于临界热失控温度点下，从而延长电池寿命，并提高电池使用的安全性。
参考文献:
[1]王芳、夏军.电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M].科学出版社:北京,2017:190.
[2]徐晓明、胡东海.动力电池热管理技术[M].机械工业出版社:北京,2018:95.