浅析｜电池PACK热管理系统的选择

使用过程中，如果锂离子电池自身的温度过高，会造成锂离子电池的循环寿命急剧下降。冷却系统对电池系统循环寿命、热安全和一致性至关重要。

常用的冷却方式主要有四种：自然冷却、强制风冷、液冷和制冷剂直接冷却(简称直冷)。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,直冷则是冷却工质在冷板中发生相变，并利用相变吸热带走大量的热量。

1、自然冷却系统

由于空气的导热系数较低，且自然对流的流动也较弱，因此自然冷却的散热效率一般比较低。此外，当电池系统周围不存在其他热源时，温差也可以控制在较小的范围内。

自然冷却方式虽然冷却效率较低，但其成本较低、所占的空间较小以及电池单体间的温差较小(无外部热源时)。在电池系统运行工况缓和、成本控制较高以及留给热管理系统的空间十分有限的情况，自然冷却方式是一种可取的选择。

虽然自然冷却属于利用空气自然对流的一种被动冷却方式，但仍然需要进行设计。设计的思路一般是先将电池单体的热量从模组内部传导到模组外部，然后再将这些热量传导到箱体外部。

2、强制风冷系统

强制风冷系统设计主要包括风道设计、风扇选型、冷却空气温度选择、热流体仿真分析和测试验证等内容。下图是采用不同冷空气来源下强制风冷原理，如图a工作原理是：通过风扇将车厢外空气引入箱体内部，空气在风扇的作用下强制对流换热。图b工作原理是：环境中的空气经过整车空调冷却直接进入电池系统对电池包进行冷却，最后通过风扇将其排入环境空气。

图 a  车外空气冷却

图 b  空调制冷空气冷却

3、 液冷系统

动力电池热管理系统功能示意图如图3所示，BMS不断采集并分析动力电池温度，当电池温度过高时，BMS发出冷却的请求或指令，控制压缩机、磁通阀以及水泵的运行，降低冷却液温度，给电池包供给低温冷却液，最终达到降低电池温度或降低电池温升速率的目的；当电池温度过低时，BMS发出加热的请求或指令，控制PTC加热器和水泵，对冷却液加热，给电池包供给高温冷却液，最终达到降低电池温度或降低电池温升速率的目的。因此动力电池热管理系统主要包括两部分，一是电池温度的采集、信号传输与控制，一是冷却液回路及附件。

图 3  电池包液冷系统和整车热管理系统

因自然冷却、强制风冷、液冷和相变冷却各自散热方式带走的热量不同，可根据散热的强弱来选择需要的冷却方式。

表1 四种冷却方式的冷却效率对比

表1是四种冷却方式的冷却效率对比，在热管理系统设计中，需要根据实际情况选择合适的冷却方式，选择步骤如下：

1）根据电池包的运行工况，获取电池单体的产热功率随时间变化的曲线。

2）电池工程师提出对电池单体温度控制和对电池包内部电池间温差的控制的要求。

3）根据成组特性，建立电池单体的散热模型，并进行热流体仿真，获取不同对流换热系数下电池单体温度的曲线。

4）根据仿真出来的数据和对电池单体温度的控制，推荐出一种或几种可选的冷却方式。

5）结合对电池温差、空间尺寸、防护等级、能耗和成本的要求，选出合适的冷却方式。