動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的總體流程可大致劃分為冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)。本文在介紹電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)總流程分析的基礎(chǔ)上闡述了相應(yīng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成結(jié)構(gòu)及功能特性分析。從宏觀上講，動(dòng)力電池?zé)峁芾硎菍?duì)電池系統(tǒng)內(nèi)部熱環(huán)境進(jìn)行制約、調(diào)節(jié)和利用。其目的是為了使動(dòng)力電池工作在一個(gè)最佳的熱環(huán)境，充分發(fā)揮電池的性能。同時(shí)，提供一個(gè)能量平衡的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)整車(chē)能量的綜合利用。具體而言，熱管理就是在電池系統(tǒng)中溫度過(guò)高時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行降溫；在溫度過(guò)低時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升溫；在特殊情況下，譬如停車(chē)等待過(guò)程中，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保溫。根據(jù)熱管理的不同應(yīng)用場(chǎng)合和功能，分為冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)。

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)總體流程

1、確定外部輸入。這一部分通常是指考慮與分析整車(chē)使用要求和環(huán)境要求，比如功率、能量、放電倍率、行車(chē)工況、環(huán)境溫度等因素。

2、根據(jù)外部輸入確定電池功率需求以及能量需求。

3、計(jì)算電池生熱量。通常，電池生熱量可以根據(jù)電化學(xué)理論、熱力學(xué)理論等計(jì)算。但在工程中，可以用簡(jiǎn)單的焦耳熱去代替。

4、根據(jù)車(chē)輛使用的環(huán)境要求，確定動(dòng)力電池系統(tǒng)是否需要設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)。同時(shí)，在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要確定是使用自然冷卻方案、強(qiáng)制風(fēng)冷方案還是強(qiáng)制液冷方案。

5、根據(jù)1～4確定設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，如果計(jì)算結(jié)果超過(guò)熱管理設(shè)計(jì)目標(biāo)，那么要重新考慮電池選型或者電池?zé)崾褂铆h(huán)境。

6、根據(jù)設(shè)計(jì)書(shū)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及仿真分析。在這一階段，CFD仿真和熱仿真占用了大量時(shí)間，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整與完善。

7、動(dòng)力電池的試制。

8、動(dòng)力電池?zé)峁芾硇阅軠y(cè)試，包括冷卻效果測(cè)試、加熱效果測(cè)試和保溫效果測(cè)試三個(gè)基本方面。

常見(jiàn)動(dòng)力電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)指標(biāo)

常見(jiàn)的動(dòng)力電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括以下三類(lèi)：

1、電池系統(tǒng)熱環(huán)境溫度范圍

這是熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)和要求。不同類(lèi)型的電池對(duì)溫度范圍界定并不相同。根據(jù)理論研究與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，磷酸鐵鋰電池這個(gè)設(shè)計(jì)值的范圍大多落在-30℃～60℃之間。

2、熱環(huán)境一致性

該設(shè)計(jì)指標(biāo)非常關(guān)鍵，是評(píng)價(jià)冷卻系統(tǒng)優(yōu)劣的重要技術(shù)指標(biāo)。目前，工程技術(shù)上大多取5度范圍內(nèi)，但由于pack的結(jié)構(gòu)、空間等因素的限制，要滿(mǎn)足5度的設(shè)計(jì)指標(biāo)比較困難。

3、低溫加熱溫度制約

對(duì)于磷酸鐵鋰電池，低溫充電的性能較弱，因此通常需要引入加熱系統(tǒng)。低溫加熱的溫度制約也是一個(gè)重要的熱管理性能指標(biāo)。

冷卻系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能

冷卻系統(tǒng)是動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中最重要的組成部分。受制于目前技術(shù)瓶頸的限制，動(dòng)力電池工作的溫度環(huán)境要滿(mǎn)足特定的要求。譬如磷酸鐵鋰電池的一般環(huán)境溫度為-20℃～60℃。電池在充放電過(guò)程中會(huì)不斷地產(chǎn)生熱量，電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度很容易超過(guò)這一范圍，因此一般的電池系統(tǒng)都需要引入冷卻系統(tǒng)。

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，冷卻系統(tǒng)通?？煞譃榭諝饫鋮s、液體風(fēng)冷和相變液冷三種冷卻方式。這三種冷卻方式的散熱能力是依次增強(qiáng)的。同時(shí)，冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也依次增加。由于相變冷卻成本比較高，考慮到降低成本的因素，目前工程技術(shù)上常采用空氣冷卻和液體冷卻兩種方式。

除了根據(jù)冷卻介質(zhì)區(qū)分冷卻系統(tǒng)以外，冷卻系統(tǒng)也常常分為主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻兩種形式。通常被動(dòng)冷卻系統(tǒng)直接將電池內(nèi)部的熱空氣排出車(chē)體，而主動(dòng)冷卻系統(tǒng)通常具有一個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，并且根據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到最大散熱能力。一般而言，被動(dòng)冷卻形式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件數(shù)量少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

無(wú)論是空冷系統(tǒng)，還是液冷系統(tǒng)， 完整的冷卻系統(tǒng)應(yīng)包含以下組成部分：

1、冷卻動(dòng)力部件，風(fēng)冷系統(tǒng)主要是風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇；液冷系統(tǒng)是水泵；

2、傳遞路徑，是指冷卻系統(tǒng)介質(zhì)流經(jīng)的路徑，風(fēng)冷系統(tǒng)由風(fēng)管組成，液冷系統(tǒng)由水管組成；

3、接頭件，由于傳遞路徑不可避開(kāi)的存在分叉，這些分叉部位需要接頭件進(jìn)行連接；

4、密封件，通常在進(jìn)出風(fēng)口或液體位置進(jìn)行安裝；

5、其它附件，主要是組成冷卻系統(tǒng)的一些必備連接件、防塵件、卡環(huán)等等。

加熱系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能

一般而言，加熱系統(tǒng)是為了滿(mǎn)足在低溫環(huán)境下能夠使電池能正常充電。加熱系統(tǒng)主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最重要的部分。常見(jiàn)的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱(chēng)為PTC（Positive Temperature Coefficient），后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜，譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。由于汽車(chē)地域適用性較為廣泛，在寒冷地區(qū)要使電動(dòng)汽車(chē)能正常使用，必須對(duì)電池加入額外的加熱系統(tǒng)以滿(mǎn)足要求。

PTC由于使用安全、熱轉(zhuǎn)換效率高、升溫迅速、無(wú)明火、自動(dòng)恒溫等特點(diǎn)而被廣泛使用。其中陶瓷PTC元件較為常用，其成本較低，對(duì)于目前價(jià)格較高的動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)，是一個(gè)有利的因素。陶瓷PTC元件通常不能直接用于加熱，而需要設(shè)計(jì)金屬外殼體，陶瓷PTC通過(guò)加熱外殼體而將熱量傳導(dǎo)給其他結(jié)構(gòu)。

（陶瓷PTC）

然而，使用陶瓷PTC作為加熱元件的缺點(diǎn)也很明顯。首先，包含PTC的加熱件體積較大，會(huì)占據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部較大的空間。其次，PTC的外殼是金屬件，會(huì)存在絕緣理由。除了常規(guī)的陶瓷PTC這類(lèi)相對(duì)硬度較高的材質(zhì)，還存在一類(lèi)柔性PTC。柔性PTC是指其PTC的組織結(jié)構(gòu)柔軟、重量輕、厚度小（通?？勺龅?.5mm以下），它可以根據(jù)需要作成任何形狀。這類(lèi)PTC廣泛的用于汽車(chē)坐墊加熱，目前也正逐步在電池加熱中使用。但是，這類(lèi)PTC加熱器的成本會(huì)相對(duì)較高。

（絕緣撓性電加熱膜）

絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以根據(jù)工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞，并且其厚度可以達(dá)到0.25mm左右。硅膠加熱器是傳統(tǒng)金屬加熱器無(wú)以倫比的具有柔軟性的薄形面發(fā)熱體。它在玻璃纖維布上下二片中夾入硅膠后適壓而成的二片薄片構(gòu)成，具有良好的傳熱性（標(biāo)準(zhǔn)1.5mm）。由于柔性，它可以與被加熱物體完全密切接觸。這兩種加熱器都屬于恒定電阻加熱器，其安全性要比PTC差些。

保溫系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能

（動(dòng)力電池隔熱保溫材料應(yīng)用）

保溫系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)的功能有點(diǎn)類(lèi)似，但是嚴(yán)格地講又有區(qū)別。保溫系統(tǒng)更多的情況下是為了滿(mǎn)足短期內(nèi)電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度熱環(huán)境在正常區(qū)間內(nèi)。例如，在冬天低溫下，電動(dòng)汽車(chē)臨時(shí)停車(chē)2個(gè)小時(shí)后再工作，那么在2個(gè)小時(shí)時(shí)間內(nèi)，必須要有保溫系統(tǒng)的作用，以防止電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度過(guò)快的下降造成的影響。保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常采用保溫材料或者保溫漆等，起到隔絕的作用，防止電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度過(guò)快的散發(fā)。