新能源汽车动力电池系统课件：动力电池热管理系统

新能源汽车动力电池系统

动力电池热管理系统0102目录Contents冷却系统设计03加热与保温传动系统布置形式04热管的应用05结论与建议热管理系统概述PART1热管理系统概述热管理设计目标设计目标：保持电池在最佳工作温度范围（提高寿命、效率、安全）设计要点：控制温度峰值、确保各单体均温、降低热阻与局部过热设计考虑：能耗、重量、体积、成本与可靠性温度对电池的影响：最佳区间：20-30℃（性能、寿命最佳）工作区间：0-45℃（可接受范围）低温问题（<0℃）：锂析出、内阻增大、充电困难高温危害（>45℃）：循环寿命急剧下降、热失控风险热管理核心目标：在任何工况下，将电池温度维持在0-45℃范围内。设计挑战：应对-30~55℃的环境温度与电池自身产热。五条开发主线：1.功能开发主线：从需求分析到量产退市的完整流程。2.FMEA主线：系统、设计、过程失效模式与后果分析，预防风险。3.项目管理主线：确保项目按计划、不偏离轨道。4.安全主线：针对残余失效、误操作等进行安全设计与评估。5.逆向验证主线：通过仿真与测试形成闭环验证。三个层级：零部件级、子系统级和系统级。热管理系统开发模式——“V”模型

热管理系统开发的”V“模型方法1：欧姆法（简化模型）公式：Q=I2R优点：简单快捷；缺点：精度较低。仿真分析（一）：产热分析目的：准确获取电池在不同工况下的发热功率，是热设计的基础。方法2：热力学-电化学耦合模型（高精度模型）

基于Newman模型，可模拟电池内部详细的电化学与热过程。

描述了固/液相扩散、电势、反应电流密度等（公式5.4-5.8）。图5.4某款锂离子电池不同倍率的放电曲线和发热功率工具：计算流体力学（CFD），如Fluent,StarCCM+。基础方程：

质量守恒方程（连续性方程）

动量守恒方程（N-S方程）

能量守恒方程应用：

预测电池包内部的温度分布（热场）。

分析冷却流体的流速、压力分布（流场）。

优化流道设计，确保散热均匀性。仿真分析（二）：热场与流场仿真电池系统内部热场和流场仿真分析仿真分析（三）：相变仿真与实验验证相变材料（PCM）仿真：PCM利用相变潜热：在相变温度附近吸放热，缓冲温升。设计要点：相变温度选择、潜热大小、导热率与安置位置。应用：用于温控和均温。数学模型采用焓法（公式5.19-5.23）。仿真要点：相变热方程、比焓与有效热容量建模。实验验证：性能测试：验证温升、温差是否达标。可靠性测试：振动、冲击、高低温循环等。安全性测试：模拟热失控、短路等极端情况。寿命测试：验证系统长期使用的可靠性。PART2冷却系统设计

1四种冷却方式的对比

自然冷却：成本低，效率低。

液冷：效率高，应用广泛。

强制风冷：效率中等，均匀性差。

直冷：效率最高，技术较新。

2选择流程：电池产热

→

恶劣工况分析

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仿真

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温度要求

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综合成本/空间等因素

→

确定方案冷却系统概述与方式选择冷却的必要性：高温导致寿命衰减（参考NissanLeaf案例，图5.6）和一致性变差。

表5.1四种冷却方式的冷却效率对比自然冷却与强制风冷系统设计（自然冷却）

设计要点：成本低、空间小、适缓工况；需模组导热优化（方形/软包/圆柱）

设计关键：模组级导热路径设计（方形电芯用导热胶，软包电芯用导热板，圆柱电芯利用间距）

适用场景：低功耗、成本敏感型应用。图5.7、5.8、5.9分别表示方形模组、软包模组和圆柱模组的自然冷却设计图5.7方形模组热设计原图图5.9软包模组热设计原理图图5.9圆柱模组热设计示意图自然冷却与强制风冷系统设计（强制风冷）

设计要点：风道设计、并/串流对比、风扇选型、能耗考虑

强制风冷系统风道分类：电芯间隙风冷和电芯底部风冷。

风道设计：并行风道（均匀性好）优于串行风道。

风扇选型：匹配系统P-Q曲线与风道阻力曲线。

冷却源：环境空气或经空调冷却的舱内空气（效果更佳）。图5.12、5.13分别表示串并行风道及仿真对比图5.12串行和并行通风方式图5.13串行和并行冷却效果的二维模拟液冷工质(考虑导热率、黏度、绝缘性)：间接接触（水、乙二醇溶液）：需液冷板，防导电。直接接触（硅油）：绝缘，但黏度大、成本高。液冷系统（一）：组成与关键部件系统构成：包括电池包内部液冷回路（液冷板、管路、泵等）和外部

整车热管理回路（通过换热器与空调交换热量）。液冷板焊接工艺（三种厚度/应用差异）：钎焊：轻薄，应用广（如Tesla）。搅拌摩擦焊：强度高，可作结构件，但较重。无料钎焊：极轻薄，轻量化首选（如雪佛兰Volt）。优点：简单快捷；缺点：精度较低。图5.23和图5.24分别表示完整液冷系统原理图和三种液冷板实物图。图5.23电池包液冷系统和整车热管理系统图5.24三种不同焊接方式成型的液冷板液冷系统（二）：设计流程与仿真

设计目标：温控、温差、压降、空间、质量、可靠性、安全性。图5.29和图5.34,5.36分别表示串联液冷回路和液冷仿真温度云图。图5.29

串联液冷回路图5.34液冷电池模组1C倍率充电温升图图5.36液冷电池模组1C倍率充电温度分布直冷系统：

原理：制冷剂在液冷板（蒸发器）内直接相变吸热。

优点：散热效率是液冷的3-4倍，结构紧凑。

挑战：集成加热功能难，控制复杂（如宝马i3）。直冷系统与特殊液冷系统图5.42

直冷系统特殊液冷系统：

集成式液冷：液冷板与箱体集成，减轻重量。

直接接触式液冷：电芯浸没于绝缘冷却液（如硅油），均温性好，但密封和安全性要求高。图5.40

集成式液冷系统图5.42和图5.40分别表示直冷系统图和集成式液冷系统图PART3加热与保温

加热系统（一）：设计需求与方式设计需求：

功能：快速、均匀加热（升温速率0.15~0.8℃/min，温差<10~15℃）。

安全：必须有干烧温度保护（通常≤65℃），防止过热。

寿命：与整车寿命匹配。三种加热方式：电加热膜、PTC加热、液热。加热必要性：低温充电会导致锂析出，引发安全风险和容量衰减。图5.45和表5.7分别表示三种常见的加热方式及三种加热方式的特点对比。图4.5

三种常见的加热方式表5.7

三种加热方式的特点对比加热系统（二）：电加热膜与PTC设计PTC加热器：原理：正温度系数效应，自控温，安全性高。结构：PTC芯片被封于金属导热板内。设计方法：仿真与实验结合，确定安装位置与功率。优点：简单快捷；缺点：精度较低。图5.46电加热膜常见的安装位置图5.47电加热膜加热高压回路示意图

图5.46、图5.47和图5.49分别表示电加热膜常见安装位置、高压回路以及PTC电阻特性。图5.49

PTC材料电阻随温度变化的曲线液热系统：

原理：在液冷回路中增加三通阀和加热器（PTC或电阻），实现加热/冷却模式切换。

优点：结构简单、升温速率快、均温性好。

关键参数：冷却液入口温度（40-60℃）、流量（10L/min）。加热系统（三）：液热设计与保温系统图5.53液热系统原理图保温系统：

目的：减少电池与外界的热交换，提升热管理效率，降低能耗。材料：气凝胶、真空隔热板（VIP）等高效保温材料。

设计层级：模组级保温（如端板、底部加隔热层）和箱体级保温。图5.55方形模组保温设计原理图图5.53和5.55分别表示液热系统原理图和方形模组保温设计原理图。PART4热管的应用

热管在热管理中的应用热管原理：利用工质相变（蒸发/冷凝）传递热量，导热系数极高。应用挑战：方向性：换热性能与安装倾角有关（图5.61）。可靠性：毛细芯结构在车规级振动下的长期耐久性需验证。优点：简单快捷；缺点：精度较低。图5.57、5.58和5.59分别表示热管结构、工作原理和均温应用案例。图5.57热管外观及内部结构图5.58热管工作原理图应用优势：优异均温性：快速均衡模组内电芯温差（如图5.59）。高效导热：将热量从箱内传导至箱外，避免冷却工质进入箱体，提升安全性。图5.59

热管作为均温元件功能性测试（A样阶段）：验证散热/加热性能、温差、压降、气密性等（参考表5.5）。可靠性与安全性测试（B样阶段）：

可靠性：振动、冲击、高低温循环、盐雾腐蚀等。

安全性：爆破压力、压力突变、内部腐蚀等（参考表5.6）。目标：确保热管理系统在全生命周期内功能正常、安全可靠。测试验证体系表5.5

液冷系统功能性测试项目表5.6液冷系统可靠性测试和安全性测试项目PART5总结与展望

1.直冷系统：效率为王：核心：制冷剂在冷板内直接相变吸热。优势：冷却效率极高（液冷的3-4倍），专为超级快充设计。挑战：系统控制复杂，集成加热困难。关键技术要点总结：直冷、加热、保温与热管2.加热系统：安全第一：目的：低温快速启动，防止锂析出。方式：PTC/液热：自控温，安全可靠，主流选择。

加热膜：恒功率，需加强电路安全防护。底线：必须设置干烧温度保护（≤65℃）。优点：简单快捷；缺点：精度较低。4.热管：导热与均温专家：原理：内部工质相变传递热量，导热能力超强。应用：

均衡电芯间温差（均温）。

将热量从箱内引出到箱外（高效导热）。注意：性能有方向性，需配合外部散热。。3.保温系统：能效基石：作用：隔绝内外热交换，提升温控效率，降低能耗。关键：使用气凝胶、真空隔热板等高效材料，在模组与箱体层级进行设计。动力电池热管理—要点总结1.动力电池热管理—要点总结

目标：在安全、寿命与性能间实现温度可控与能耗最小化。

产热评估：早期用欧姆法快速估算，后期需电化学—热耦合精确预测内部热源分布。

冷却策略：自然/风冷适用于低功率场景，液冷适用于高倍率与快充，直冷效率最高但气密性与集成复杂。

加热与保温：加热（电加热膜、PTC、液热）与保温需协同设计以保证低温启动与能耗优化。

仿真与试验闭环：CFD+热耦合仿真指导设计，必须与分阶段样件测试（功能/可靠/安全/寿命）闭环验证。

设计约束：需综合考虑温差、最高温度、压降/能耗、空间/质量及制造与成本可行性。2.一体化的协同设计理念

动力电池热管理—研究与工程展望2.动力电池热管理—研究与工程展望

高效耦合仿真：推动电化学—热—流