摘要：
动力电池作为新能源汽车最重要的能量来源之一，其性能关系到续航里程和车辆 的使用寿命。针对新能源汽车续航里程较短、低温下电池模组存在热量不能完全散发、温度 波动大等问题开展了详细分析。为减少动力电池热管理系统中的热损耗，需要合理配置动力 电池内循环换热装置，并根据动力蓄电池状态，在必要时对电池热管理系统进行优化。
0 前言
随着新能源汽车技术的不断深入发展，新能源 汽车已经成为世界上最具发展潜力和前景的产业之 一。但是，新能源汽车所面临的动力电池热管理问 题也日渐突出，严重影响着电池性能和电池安全，因 此动力电池热管理系统已成为新能源汽车核心技术 之一。本文主要从系统总体方案、热管理单元设计、 热系统优化 3 个方面对当前动力电池热管理系统展 开分析与优化设计。
1 动力电池热管理系统概述
电动汽车对电池热管理系统有较高的要求，促使电池热管理系统技术不断进步。其中比较重要的是优化电池散热结构。电动汽车的动力系统包含了多个电池部分及电机等电子设备，这些电子设备会产生强大功耗和热量。由于电池体积庞大，在工作中会产生大量的热量，因此需要对电池进行降温、散热等一系列工艺处理以保证电池性能充分发挥。对电池进行热管理，不仅能提高动力电池的使用寿命， 还能有效降低电池的能量损耗。
1.1 热管理系统中电池组工作原理
为了使电池组具有良好的冷却效果并延长电池寿命，必须将电池置于一个稳定的外部环境下以减少外界环境温度变化引起的影响。通常情况下，电池内部温度与周围环境之间存在着一定的温差，当温差达到一定值时就可能导致电池发生热失控现象从而引发安全事故。目前，常用的电池热管理方法主要分为 2 种类型，分别是通过控制电池内温度来 调节电池组内部温度，以及利用传感器实时监测电池组温度。在实际应用过程中，由于不同的电池所 需的温度不同，因此可以采用多种不同的方式实现 对电池组的加热和散热。其中，最为常见也是较为 成熟的就是基于单片机技术构建的电池热管理系 统。该系统主要包括 2 个部分，即主控制器和执行 机构。主控制器负责对电池组的温度控制及电池组 的运行状态监控，同时还需要根据当前电池所处的 环境温度，及时调整电池组的温度。而电池的执行 机构则需要对电池组的各项参数进行采集并将其传 送到计算机上，然后再经过处理后输出给相应的操 作人员。当然这种模式下还会存在一个问题——如 果电池出现了过热或过冷等情况，那么就无法正常 使用，此时就需要相关工作人员对电池的温度进行 检测，以保障后续工作能够顺利进行。本文介绍了 影响动力电池热管理系统性能的主要因素，研究了 电动汽车电池在工作中产生的热和传热问题［1］ ，同 时对电动汽车及其动力电池热管理系统做了详细 阐述。
1.2电池模组
动力电池主要由 3 部分组成：单体电池、模组和 电池管理系统（BMS）。单体电池是通过电芯直接与外界环境进行接触，在工作中会产生热量从而影 响整车性能。但是当电池温度过高时会对其内部元 器件造成损坏，同时内部温度过高将导致电池寿命 降低及电池容量衰减，因此需要对电池热管理系统 进行改进，以保证电池能够充分发挥其性能，避免电 池过热而影响续航里程［1］ 。
1.3 动力电池与电池组之间的散
热
动力电池自身会产生热量且需要对其进行冷 却，为了能够更好地保证动力电池安全性，并对其进 行有效冷却，提高电池综合性能，需要对其进行散热 设计。散热是电池热管理系统中重要的一部分，可 以通过对电池进行冷却使其温度保持在一定范围 内，保证电池系统达到最佳工作状态，确保续航里 程，以及运行的安全可靠。
4 热管理系统的结构设计
目前，电动上的电池热管理系统主要分为 2 种 结构，即锂电池冷却系统和电池组散热系统。根据 锂电池不同，有不同的结构设计，在设计上基本都是 在控制面板上进行温度控制。在散热设计过程中需 要考虑各个电池的性能不同，对于锂电池而言，锂电 池在工作时需要进行散热，当温度过高时，电池无法 正常供电，因此需要对锂电池进行冷却以保证其正 常运行，以保护功能有效发挥。而当锂电池出现异 常时，及时发出报警信号并对相关设备做出有效处 理，从而确保电池健康安全运行。所以在设计中通 常都会设置散热模块并对锂电池进行温度控制，避 免造成电池过热问题影响电池性能。
2 动力电池热管理系统优化
2. 1 热管理系统优化分析
随着电动汽车技术的不断发展，电池与电机、电 控、电气和温度管理系统之间相互影响，动力电池热 管理系统成为电动汽车控制系统的重要组成部分。将不同类型的电池模块及相应的散热管理部件相结 合来控制锂电池温升，提高充电效率和安全性。目 前国内外的动力电池热管理系统主要由电池系统、 电池组及加热装置 3 部分组成。在蓄电池组中放置 一个加热装置，利用其自身温度来驱动电池组循环 工作，以此来调节电池组的功率。因此一个合理的热管理系统能够实现对电池组热量和温度的有效控 制，并能保证电池充电安全。整个热管理系统可以 分为电池冷却系统、加热元件和热交换器等模块。其中，能量转换器可对动力电池组中每一个电池组 进行独立发电，保证在电池能量循环过程中维持一 定的功率输出。电源端采用直流或交流供电方式进 行电能输出；加热元件由热交换器通过电机等传动 机构将热量传递给电池组或加热装置；加热设备通 过与加热单元接触进行热量交换获取电能，保障动 力电池组的性能需求；热交换器由传质机、冷却架、 加热器等组成，通过控制温度和流量达到降低热消 耗，提高工作效率的目的。
2. 2 动力电池设计分析
动力电池一般采用铝壳结构，电池内部隔板可 分为 3 类，其中一类为铝合金隔板。铝隔板材多用 于中大型动力电池（如 BMS 等），因为其体积小、质 量轻、散热效果好、安装方便等优点受到了广大消费 者喜爱。铝板具有质量轻、安装方便、价格便宜、使 用寿命长等优点，逐渐被市场所接受。目前铝制隔 板主要应用于大型电动汽车及混合动力汽车上。其 中，动力电池内部多采用铝电解质隔板用于散热和 维持电池稳定的性能。新能源汽车一般使用 8 片铝 制隔板组成动力电池包，即 8 个正极与 12 个负极；同 时为了保证电化学反应中的导电性、安全性及电池 使用寿命，在动力电池包内设计了多个冷却器，分别 安装在正极、隔膜、电解液和壳体内。
2. 3 关键零部件优化方案
根据优化设计要求，将电机、电控、散热器、空调 冷凝器等关键零部件进行优化设计。经过各工况下 整车试验发现，电机在循环冷却过程中，电机绕组容 易发生温度漂移变乱，给冷却系统带来安全隐患。电机在循环冷却过程中产生的热量不易散发到空气里或水里，导致发动机功率下降，整车油耗上升。根 据热系统优化设计原则，需对电机模块进行散热优 化。散热优化需考虑电机转子和内机壳体之间存在 机械差异及空间结构是否合适等因素。因此在进行 部件优化设计时需要考虑：① 内机壳体结构；② 外壳材质 ；③ 壳体与底盘结构的连接 ；④ 电机转子寿命。
2. 4 总体热负荷仿真分析
通过分析发现，在发动机系统的冷却风扇工作 时，电池组及电机对温度敏感度相对较高，为了提高 发动机降温效果，将发动机工作温度降低 5~15 K， 从而减少了发动机冷却风扇的运行时间。空调制冷 能力是仿真分析过程中的重要因素，空调制冷能力 越强，系统内空气温度越低，汽车行驶时空调制冷能 力越强。本例设计之初是考虑将空调制冷能力提升 到车辆行驶时的最大值（12 ℃），以提高车辆空调的 使用寿命，同时降低动力成本。
2. 5 热系统性能仿真分析
对于动力电池热系统，利用 Matlab 软件搭建动 力电池及电机系统仿真模型，基于 ArcGIS 软件进行 仿真分析。将功率模型与性能模型叠加，得到仿真 结果：能量密度模型与真实的热模型之间存在一定 误差。因此，根据实际工况对热系统进行优化，使其 能够满足实际需求。在此基础上，对热系统性能进 行优化设计。为满足各热管理单元散热能力的要 求，实现最佳散热效果及最优控制参数，可以对各热 管理单元开展性能仿真分析，主要包括各热管理单 元、各部分设计参数优化及计算结果分析等内容。
3 结论
本文通过对动力电池热管理系统整体方案设 计、热系统优化设计及系统总体热负荷仿真分析，得出以下结论：① 热负荷仿真结果是对动力电池电芯 工作性能影响最大的指标之一。随着动力电池热管 理系统的性能不断提高，系统整体效率将会不断提 升。② 热负荷仿真结果是进行结构设计与优化方 案制定，以及优化方案确定前需要分析处理的重要 技术问题。基于结构设计方式将使热负荷仿真计算 分析结果更加准确，可以有效提高系统整体效率与 耐久性。③ 结合结构设计方式能够更好地控制动 力电池热负荷指标，实现动力电池热负荷仿真计算 优化和设计分析工作。
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