新能源汽車動力電池熱管理培訓Page

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內部電阻生熱導致的電芯溫度升高

在高充放電電流下，電芯內部的歐姆熱使電芯溫度迅速上升。如無合適的冷卻，電芯很快就會達

到不安全溫度，導致電芯過熱。

電池包必須有合適的熱管理系統才能正常工作。

MGL-8Ah鋰離子電池，15C

放電率

Panasonic-6.5Ah鎳氫電池,

15C

放電率電池包熱管理的重要性（1）Page

3電池包熱管理的重要性（2）

電池包內任一個電芯的溫度都不應超過許可的最高工作溫度

電芯的最高溫度超過60C時就潛在發生因過熱導致的的電芯安全性問題。

雖然電芯過熱的后果是可能導致整個電池包燒毀，但把電池包內的電芯溫度控制在60C以下屬于

接近常溫的傳熱問題，在傳熱學上和散熱設計上都算不上是一個很大的挑戰。電池包傳熱設計中

真正有挑戰的問題是：

準確地估計電芯的散熱量；

合理地選擇冷卻方式及設計冷卻系統；

使電池包內所有電芯間的最大溫差及每個電芯的最大溫差都不大于5C。

Safe

SafePage

4電池包熱管理的重要性（3）

電芯溫度對電池包安全性和性能的影響

20

45

C是鋰電池電芯的理想工作溫度區間。這個接近環境溫度的溫度范圍聽起來不是什么挑戰，

但實際上越接近環境溫度，冷卻設計就越不容易：電芯溫度和環境的溫差越小，冷卻系統向環境

傳熱的驅動力就越小；當環境溫度等于或高于電芯工作溫度時，就必須借助制冷系統冷卻電池。

一個電池包可以有近百個或幾百個電芯，所以控制這些電芯溫度的均勻性不是一件易事：

最熱的電芯決定了整個電池包的安全；

最冷的電芯決定了整個電池包的性能；

一個電芯內和電池包內電芯間的最大溫差決定了整個電池包的壽命。

電池包熱管理是通用在開發Volt時的最大挑戰。電池包的造價和安全性問題，及電池包熱管理所需

的電池和傳熱學知識，是做電池包冷卻的工程師市場價值高的客觀原因。Page

5鋰離子電池的內阻（1）

電芯的內部電阻

鋰離子電芯內部的電阻由三部分構成：歐姆電阻，極化電阻，和濃度電阻。

歐姆電阻是電子電流的導電阻力，而極化電阻和濃度電阻是離子電流的導電阻力。

內部電阻的溫度和SOC或DOD

（=

1

–

SOC）的關系主要反映了電池結構及電解質的特性：

溫度越低，放電深度越大，電芯內阻就越大。Page

6鋰離子電池的內阻（2）

10秒高脈沖功率下的直流電阻

鋰離子電芯內阻可以有兩種方法評估：

1kH的交流脈沖電流作用下的電抗；

由HPPC型譜下直流脈沖電流測得的直流電阻，電流脈沖時間可選擇1秒，5秒或10秒。

保守起見，應采用10秒直流電阻計算熱量，它綜合考慮了電子電流和離子電流的電阻。Page

7電池包使用過程中熱量的生成（1）

電池包使用過程中電芯的生熱量

電池包生熱可按下式計算

Q

=

I2

Ri

n

I

=

是按移動時間窗口

t

計算的每個電芯的平均電流

Ri

=

電芯內阻

n

=

電池包內電芯的數目

I2t電流的概念

電芯溫度對熱量的跟隨性取決于電芯的熱容量。熱容量越大，電芯的溫度反應就越慢，電芯

的熱過載能力就越強。電池包的冷卻設計不應以瞬態電流計算，這會導致過設計。電池包冷

卻應采用I2t電流計算熱量。根據電芯負荷的不同，移動時間窗口

t

可以是30s，60s

或

120s。

為準確反映動態特性，負荷越大，時間窗口就應越小。Page

8電池包使用過程中熱量的生成（2）

I2t電流的計算

電池包使用時的電流隨驅動條件及能量管理要求而變化，瞬態電流值可達200A或更高。但瞬態高

電流的持續時間極短，所以不能建立電芯溫度和瞬態電流的關系，也就無法根據瞬態電流去設計

電芯的散熱。這就是我們通常所說的系統對溫度反映的時間常數問題。

實際電芯散熱是根據選定的移動窗口通過I2t電流進行計算設計的。下式給出I2t電流和平均電流的

計算公式：Page

10電芯、模組和電池包在電池包冷卻系統中的功能

電芯、模組和電池包在電池包熱管理中的作用電芯：定義了電池包生熱，但不能決定電芯溫度因無法定義散熱邊界，是被控制環節。

電化學發生在電芯內部，因而電池包驅動電流和生熱的關系定義在電芯環節。

電芯生熱、儲熱，及向冷卻介質的散熱這三者的關系決定了電芯的工作溫度。模組：定義了電芯和冷卻介質的關系，是冷卻設計也是控制電芯溫度及其均勻性的關鍵環節。

電芯生熱通過模組定義的冷卻邊界散給冷卻介質，模組是電芯散熱的關鍵環節。電池包：是各模組冷卻子系統的集成環節，也定義了冷卻介質把電池散熱傳到電池包外的方式。

熱管理的關鍵環節，通過對冷卻介質的溫度及流量控制實現對電池包內電芯的熱管理。

決定了冷卻介質在電池包內的分布，也決定了冷卻介質是如何把所吸收的電芯熱量傳到電池

包以外的散熱單元并通過其散給環境，確定了冷卻系統的特性。但并不一定直接針對環境。Page

11電池包冷卻方式的選擇

（1）

直接和間接冷卻系統

直接冷卻系統中冷卻介質在模組內直接和電芯接觸，間接冷卻系統中冷卻介質通過熱傳導單元把

熱量傳到模組外，冷卻介質和熱傳導單元直接接觸并把熱量帶走。

空冷直接冷卻系統水冷直接冷卻系統

空冷間接冷卻系統水冷間接冷卻系統Page

12電池包冷卻方式的選擇

（2）

直接空冷和直接水冷的區別

在電池冷卻系統中，電芯是熱源，環境是熱匯。最高的溫度是電芯，最低的溫度是環境的空氣。

根據冷卻介質和環境的關系，可定義如下：環境空氣是一次冷卻介質，冷卻水是二次冷卻介質。

二次冷卻介質處于自身的封閉系統中，不和環境空氣直接接觸，必須通過散熱器向環境散熱。

直接空冷的優點是可以從駕駛艙取空調過的空氣，避開環境溫度約束；同時，不需專門設計電池

包排氣。缺點是由于空氣熱容量小，傳熱系數小，進出口空氣溫差大，不利于控制電池包內電芯

間的最大溫差。

直接水冷的優點是可以利用水的高熱容量及高傳熱系數有效地控制電池包內電芯間的熱均勻性。

缺點是每個電芯都要有自己的冷卻水路，水冷設計困難；同時，由于冷卻水是二次冷卻介質，需

通過散熱器把冷卻水吸收的熱量散給環境，而散熱器的散熱能力受冷卻水和環境溫度之差限制；

由于增加了水泵，散熱器及冷卻風扇，系統造價高，耗能大。但直接水冷系統不容易導致熱失控。Page

13Print

Date:

7/19/2016Revise

Date:

20167-20電池包冷卻方式的選擇

（3）

間接空冷和間接水冷的區別

間接冷卻僅能用于矩形硬包電芯和軟包電芯，不能用于圓柱形電芯。目前應用圓柱形電芯的上市

產品大多采用直接空冷。軟包電芯的間接冷卻需通過導熱板把熱量傳導到電芯外部，冷卻介質僅

對導熱板進行冷卻。硬包電芯的間接水冷還可以采用電芯直接和冷卻板接觸的方式冷卻。

間接空冷系統仍然可以從駕駛艙取空調過的空氣，避開環境溫度約束，也不需專門設計電池包排

氣。電芯內的溫差由導熱板決定。其缺點仍然是由于空氣熱容量小，模組進出口空氣溫差大。傳

熱系數小的問題可以通過強化傳熱技術改善。另一個缺點是由于風道的原因電池包布置不太緊湊。

軟包和硬包電芯都可以用間接水冷冷卻，可以從不同側面采用多個冷卻板冷卻。間接水冷的優點

是溫度均勻性好。由于間接冷卻，水路簡單。但缺點是冷卻水是二次冷卻介質，需通過散熱器把

冷卻水吸收的熱量散給環境，而散熱器的散熱能力受冷卻水溫度和環境溫度之差限制；由于增加

了水泵，散熱器風扇，系統造價高，耗能大。間接水冷系統很難保證電芯和冷卻板的良好接觸，

極易產生接觸熱阻，使傳熱惡化。電池包內電芯越多，冷卻板越大，這個問題就越嚴重。Page

14電池包冷卻方式的選擇

（4）

間接空冷和間接水冷系統的附加傳熱熱阻

間接冷卻時如采用高導熱系數的鋁導熱板，電芯內部溫差由鋁導熱板控制，均勻性較好。如無導

熱板時，電芯內部溫差由電芯自身的導熱特性決定。

無論是否使用導熱板，間接冷卻都增加了傳熱環節，即增加了電芯和冷卻介質間的溫差。采用水

冷時，冷卻能力受環境溫度影響較大。

對間接水冷系統，當不采用導熱板時，對電芯的幾何尺寸控制要求較高，也不應該在熱膨脹較大

的電芯側面布置冷卻板，以免電芯因受到擠壓而損壞。Page

15電池包冷卻方式的選擇（5）

間接空冷模組的電芯傳熱途徑分析

由于電芯的內部溫度是無法測量的，所以，無論風冷還是水冷，在間接冷卻時一定要對電芯的傳

熱途徑有清楚的了解才能合理地設計電池包的冷卻系統。

Cells

Thermal

pad

Cooling

finModule

frame

Heat

conductionHeat

conduction

Heat

convectionAir

flowPage

16電池包冷卻方式的選擇

（6）

高溫環境下的電池冷卻系統

在電池