動力電池熱管理系統(tǒng)設計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)。本文在介紹電池熱管理系統(tǒng)設計總流程分析的基礎上闡述了相應系統(tǒng)的基本構成結構及功能特性分析。從宏觀上講，動力電池熱管理是對電池系統(tǒng)內(nèi)部熱環(huán)境進行制約、調節(jié)和利用。其目的是為了使動力電池工作在一個最佳的熱環(huán)境，充分發(fā)揮電池的性能。同時，提供一個能量平衡的環(huán)境，實現(xiàn)整車能量的綜合利用。具體而言，熱管理就是在電池系統(tǒng)中溫度過高時，對系統(tǒng)進行降溫；在溫度過低時，對系統(tǒng)進行升溫；在特殊情況下，譬如停車等待過程中，要對系統(tǒng)進行保溫。根據(jù)熱管理的不同應用場合和功能，分為冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)。

動力電池熱管理系統(tǒng)設計總體流程

1、確定外部輸入。這一部分通常是指考慮與分析整車使用要求和環(huán)境要求，比如功率、能量、放電倍率、行車工況、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、計算電池生熱量。通常，電池生熱量可以根據(jù)電化學理論、熱力學理論等計算。但在工程中，可以用簡單的焦耳熱去代替。

4、根據(jù)車輛使用的環(huán)境要求，確定動力電池系統(tǒng)是否需要設計冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)。同時，在冷卻系統(tǒng)設計中要確定是使用自然冷卻方案、強制風冷方案還是強制液冷方案。

5、根據(jù)1～4確定設計說明書，如果計算結果超過熱管理設計目標，那么要重新考慮電池選型或者電池熱使用環(huán)境。

6、根據(jù)設計書進行詳細設計，包括結構設計以及仿真分析。在這一階段，CFD仿真和熱仿真占用了大量時間，結構設計根據(jù)仿真結果進行調整與完善。

7、動力電池的試制。

8、動力電池熱管理性能測試，包括冷卻效果測試、加熱效果測試和保溫效果測試三個基本方面。

常見動力電池熱管理設計指標

常見的動力電池熱管理的設計指標主要包括以下三類：

1、電池系統(tǒng)熱環(huán)境溫度范圍

這是熱管理系統(tǒng)設計的基本指標和要求。不同類型的電池對溫度范圍界定并不相同。根據(jù)理論研究與設計經(jīng)驗，磷酸鐵鋰電池這個設計值的范圍大多落在-30℃～60℃之間。

2、熱環(huán)境一致性

該設計指標非常關鍵，是評價冷卻系統(tǒng)優(yōu)劣的重要技術指標。目前，工程技術上大多取5度范圍內(nèi)，但由于pack的結構、空間等因素的限制，要滿足5度的設計指標比較困難。

3、低溫加熱溫度制約

對于磷酸鐵鋰電池，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重要的熱管理性能指標。

冷卻系統(tǒng)的基本構成與功能

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

根據(jù)冷卻介質的不同，冷卻系統(tǒng)通常可分為空氣冷卻、液體風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的。同時，冷卻系統(tǒng)的結構復雜度也依次增加。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)冷卻介質區(qū)分冷卻系統(tǒng)以外，冷卻系統(tǒng)也常常分為主動冷卻和被動冷卻兩種形式。通常被動冷卻系統(tǒng)直接將電池內(nèi)部的熱空氣排出車體，而主動冷卻系統(tǒng)通常具有一個內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，并且根據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度進行主動調節(jié)，以達到最大散熱能力。一般而言，被動冷卻形式具有結構簡單、零部件數(shù)量少、成本低等優(yōu)點，被廣泛用于電池冷卻系統(tǒng)設計中。

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

1、冷卻動力部件，風冷系統(tǒng)主要是風機或風扇；液冷系統(tǒng)是水泵；

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

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

4、密封件，通常在進出風口或液體位置進行安裝；

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)的基本構成與功能

一般而言，加熱系統(tǒng)是為了滿足在低溫環(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。由于汽車地域適用性較為廣泛，在寒冷地區(qū)要使電動汽車能正常使用，必須對電池加入額外的加熱系統(tǒng)以滿足要求。

PTC由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其中陶瓷PTC元件較為常用，其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。陶瓷PTC元件通常不能直接用于加熱，而需要設計金屬外殼體，陶瓷PTC通過加熱外殼體而將熱量傳導給其他結構。

（陶瓷PTC）

然而，使用陶瓷PTC作為加熱元件的缺點也很明顯。首先，包含PTC的加熱件體積較大，會占據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部較大的空間。其次，PTC的外殼是金屬件，會存在絕緣理由。除了常規(guī)的陶瓷PTC這類相對硬度較高的材質，還存在一類柔性PTC。柔性PTC是指其PTC的組織結構柔軟、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PTC廣泛的用于汽車坐墊加熱，目前也正逐步在電池加熱中使用。但是，這類PTC加熱器的成本會相對較高。

（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，并且其厚度可以達到0.25mm左右。硅膠加熱器是傳統(tǒng)金屬加熱器無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成，具有良好的傳熱性（標準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)的基本構成與功能

（動力電池隔熱保溫材料應用）

保溫系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)的功能有點類似，但是嚴格地講又有區(qū)別。保溫系統(tǒng)更多的情況下是為了滿足短期內(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，電動汽車臨時停車2個小時后再工作，那么在2個小時時間內(nèi)，必須要有保溫系統(tǒng)的作用，以防止電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度過快的下降造成的影響。保溫系統(tǒng)設計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)部溫度過快的散發(fā)。