編者按

整車高壓線束主要的設(shè)計方案涉及到線束走向設(shè)計、線徑設(shè)計、高壓連接器選型、充電口的類型和應(yīng)用、屏蔽設(shè)計、高壓線束固定卡扣選型、高壓線槽設(shè)計、高壓互鎖HVIL設(shè)計、GROMMET設(shè)計等。

鋰離子電池包熱管理的要求是根據(jù)鋰離子電池發(fā)熱機理，合理設(shè)計電池包結(jié)構(gòu)，選擇合適的熱管理方式，合理設(shè)計熱管理策略，保證電池包內(nèi)各個單體電池工作在合理溫度范圍內(nèi)的同時盡量維持包內(nèi)各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。

動力蓄電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS，Battery Thermal Management System）對純電動汽車在各種環(huán)境下的動力性有至關(guān)重要的影響。通過研究分析鋰離子電池產(chǎn)熱原理，BTMS傳熱冷卻方式，及風(fēng)冷散熱和液冷散熱方案的比較，說明液冷散熱效果好于風(fēng)冷，液冷散熱將是未來適合復(fù)雜工況的大功率鋰離子動力電池?zé)峁芾淼闹匾芯糠较颉?/p>

動力蓄電池作為純電動汽車的動力來源，是提高整車性能和降低成本的關(guān)鍵一環(huán)，其溫度特性直接影響電動車的性能、壽命和耐久性。鋰離子電池因比能大、循環(huán)壽命長、自放電率低、允許工作溫度范圍寬、低溫效應(yīng)好等優(yōu)點是電動車目前首選的動力電池。

鋰離子電池包熱管理的要求是根據(jù)鋰離子電池發(fā)熱機理，合理設(shè)計電池包結(jié)構(gòu)，選擇合適的熱管理方式，合理設(shè)計熱管理策略，保證電池包內(nèi)各個單體電池工作在合理溫度范圍內(nèi)的同時盡量維持包內(nèi)各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。由于電池組中單體電池是互相串聯(lián)的，任何一只電池性能下降都會影響電池組的整體表現(xiàn)。溫差為5℃、10℃、15℃時，相同充電條件下電池組的荷電態(tài)分別下降10%、15%、20%。

鋰離子電池?zé)崽匦?/p>

電池在充放電過程中都會發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生熱反應(yīng)。鋰離子動力電池的主要產(chǎn)熱反應(yīng)包括：電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應(yīng)、負極與粘合劑的反應(yīng)和固體電解質(zhì)界面膜的分解。此外，由于電池內(nèi)阻的存在，電流通過時，會產(chǎn)生部分熱量。低溫時鋰離子電池主要以電阻產(chǎn)生的焦耳熱為主，這些放熱反應(yīng)是導(dǎo)致電池不安全的因素。電解液的熱安全性也直接影響著整個鋰電池的電池動力體系的安全性能。

實際運行環(huán)境中，動力系統(tǒng)需要鋰離子電池具備大容量與大倍率放電等特點，但同時產(chǎn)生的高溫增加了運行危險。所以，降低鋰離子電池工作溫度，提升電池性能至關(guān)重要。

BTMS傳熱冷卻方式

BTMS中按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻，其中只利用周圍環(huán)境冷卻的方式為被動式冷卻，組裝在系統(tǒng)內(nèi)部的、能夠在低溫情況下提供熱源或者在高溫條件下提供冷源，主動元件包括蒸發(fā)器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等的方式為主動式冷卻。按照傳質(zhì)的不同可以分為空氣強制對流、液體冷卻、相變材料(PCM,Phase Change Material)、空調(diào)制冷、熱管冷卻、熱電制冷和冷板冷卻等。根據(jù)不同的放電電流倍率、周圍溫度等應(yīng)用要求選擇不同的冷卻方式。

空氣強制對流

空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接讓空氣穿過模塊以達到冷卻、加熱的目的。很明顯空氣自然冷卻電池是無效的，強制空氣冷卻是通過運動產(chǎn)生的風(fēng)將電池的熱量經(jīng)過排風(fēng)風(fēng)扇帶走，需盡可能增加電池間的散熱片、散熱槽及距離，成本低，但電池的封裝、安裝位置及散熱面積需要重點設(shè)計。可以采用串聯(lián)式和并聯(lián)式通道(如圖1所示)。

仿真結(jié)果研究得出了電池的散熱特性：在自然冷卻下熱輻射占整個散熱的43%~63%強化傳熱是降低最高溫度的有效措施，但擴大強化傳熱的范圍并不會無限地提高溫度一致性。

風(fēng)冷方式的主要優(yōu)點有:結(jié)構(gòu)簡單,重量相對較小沒有發(fā)生漏液的可能有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(fēng)成本較低。缺點在于其與電池壁面之間換熱系數(shù)低,冷卻、加熱速度慢。

在串并聯(lián)風(fēng)道中，放置6塊發(fā)熱電池，假設(shè)電池密度均勻（2700kg/m3），熱生成率相同（50000w/m3）。空氣以5m/s的速度流入，進口溫度為25℃(298K),出口自由敞開，電池模型使用結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格，數(shù)量為25萬個。

通過仿真分析得到電池溫度表格如表1所示。串聯(lián)式流道整體溫差為5.6℃,并聯(lián)式流道整體溫差為3.0℃；串聯(lián)流道中間電池?zé)崂塾嬢^多，整體溫度較高，一致性較差；并聯(lián)流道整體溫度較低，一致性較好；但因本例入口風(fēng)道為水平直角，故靠近入口電池溫度較高。若將風(fēng)口向上傾斜一定的角度，散熱效果會更好。因此，改變風(fēng)道設(shè)計，對電池散熱影響較大。

液體冷卻

在一般工況下，采用空氣介質(zhì)冷卻即可滿足要求，但在復(fù)雜工況下，液體冷卻才可達到動力蓄電池的散熱要求。采用液體與外界空氣進行熱交換把電池組產(chǎn)生的熱量送出，在模塊間布置管線或圍繞模塊布置夾套，或者把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中。

若液體與模塊間采用傳熱管、夾套等，傳熱介質(zhì)可以采用水、乙二醇、油甚至制冷劑等。若電池模塊沉浸在電介質(zhì)傳熱液體中，必須采用絕緣措施防止短路。傳熱介質(zhì)和電池模塊壁之間進行傳熱的速率主要取決于液體的熱導(dǎo)率、粘度、密度和流動速率。在相同的流速下，空氣的傳熱速率遠低于直接接觸式流體，這是因為液體邊界層薄，導(dǎo)熱率高。

液冷方式的主要優(yōu)點有：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻、加熱速度快；體積較小。主要缺點有：存在漏液的可能；重量相對較大；維修和保養(yǎng)復(fù)雜；需要水套、換熱器等部件，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

實驗結(jié)果表明相對于液體冷卻/加熱，空氣介質(zhì)傳熱效果不是很明顯，但是系統(tǒng)不太復(fù)雜。對于并聯(lián)型混合動力車，空氣冷卻是滿足要求的，而純電動汽車和串聯(lián)式混合動力車，液體冷卻效果更好（見圖2）。

通過仿真分析得到電池溫度表格(如表1所示)，在不同流道設(shè)計的情況下，液體冷卻溫度一致性較好。雖然并聯(lián)流道整體溫度低于串聯(lián)流道，溫度僅相差0.4℃。但從實際與設(shè)計角度考慮，串聯(lián)流道結(jié)構(gòu)規(guī)整簡單更適合產(chǎn)品設(shè)計。

目前制造商不愿意選擇液體冷卻是因為密封不好會導(dǎo)致液體泄漏，所以密封設(shè)計是極其重要的。

結(jié)論

本文基于有限元仿真軟件，在風(fēng)冷與液冷兩種不同模式不同的流道下，對電池溫度冷卻效果進行比較。通過對上述內(nèi)容研究表明：（1）風(fēng)冷在不同的流道下，對電池的溫度一致性影響較大，但并聯(lián)流道散熱效果好于串聯(lián)流道；（2）液冷無論在串、并流道下，對電池溫度的一致性影響較小，并且整體散熱效果要遠好于風(fēng)冷方式。

隨著電池模塊容量的增大，惡劣環(huán)境下運行對電池性能的要求越來越苛刻，高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其重要。空氣強制冷卻由于冷卻能力不強只能在小型功率且良好工況下使用；而液冷整體冷卻效果更適用于大型功率或者復(fù)雜工況下使用。因此液冷是未來電池?zé)峁芾淼闹匾芯堪l(fā)展方向。