電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證電池組工作在安全區(qū)間內(nèi)，提供車輛控制所需的必需信息，在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響應(yīng)處理，并根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求等決定電池的充放電功率等。BMS的主要功能有電池參數(shù)監(jiān)測、電池狀態(tài)估計(jì)、在線故障診斷、充電控制、自動均衡、熱管理等。本文將重點(diǎn)分析電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) (Battery Thermal Management System, BTMS).

電池的熱相關(guān)問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關(guān)鍵因素。

溫度高低對于里離子動力電池的整體性能，包括電池的容量、功率、充放電效率、安全性和壽命等都有著非常顯著的影響。溫度較低時(shí)，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，在過低溫度下（如低于0℃）對電池進(jìn)行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現(xiàn)象，造成內(nèi)部析鋰并進(jìn)而引發(fā)短路。其次，鋰離子電池的熱相關(guān)問題直接影響電池的安全性。生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用過程中的不當(dāng)操作等可能造成電池局部過熱，并進(jìn)而引起連鎖放熱反應(yīng)，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)重的熱失控事件，威脅到車輛駕乘人員的生命安全。另外，鋰離子電池的工作或存放溫度影響其使用壽命。電池的適宜溫度約在10~30°C之間，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，電池內(nèi)部熱量不易散出，更可能出現(xiàn)內(nèi)部溫度不均、局部溫升過高等問題，從而進(jìn)一步加速電池衰減，縮短電池壽命，增加用戶的總擁有成本。

熱管理系統(tǒng)的功能主要包括：

電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；

電池模組溫度超過限值時(shí)，能有效散熱和降溫；

低溫條件下的快速加熱，使得電池系統(tǒng)處于能正常運(yùn)行的溫度范圍；

保證電池組溫度場的均勻分布，降低單體電池之間的溫度差異。

熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)整車典型的運(yùn)行工況和鋰離子電池的發(fā)熱功率，選擇適合的熱管理方式，基于電池的溫度特性合理設(shè)計(jì)熱管理策略，保證電池包內(nèi)各個(gè)電池都工作在合理溫度范圍，同時(shí)盡量維持電池包內(nèi)各個(gè)電池及電池模組之間的溫度均勻性。

一、冷卻方案設(shè)計(jì)

常見的冷卻方案主要有：自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷和直冷，這四種冷卻方式的冷卻效率依次增強(qiáng)。

1. 自然冷卻

采用自然冷卻散熱方式是典型的以空氣為傳熱介質(zhì)的被動散熱方案，直接讓電池箱體內(nèi)部的空氣穿過電池模組，通過空氣與電池、電池箱體等導(dǎo)熱部件之間的對流換熱實(shí)現(xiàn)對電池進(jìn)行冷卻的目的。自然冷卻方案具有結(jié)構(gòu)簡單、零部件數(shù)量少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用范圍最廣泛的一種散熱方式。

2. 強(qiáng)制風(fēng)冷

自然冷卻的方案比較容易實(shí)現(xiàn)，但其散熱效果有限。強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇使空氣產(chǎn)生強(qiáng)制對流將電池箱體內(nèi)部電池的熱量經(jīng)過排風(fēng)風(fēng)扇帶走，散熱效率比自然冷卻更高。我司早期快充及混合動力車型多數(shù)采用強(qiáng)制風(fēng)冷，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低，缺點(diǎn)是對動力電池內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計(jì)要求較高、溫度一致性較難控制、防護(hù)等級很難達(dá)到IP67.

強(qiáng)制風(fēng)冷原理

                       強(qiáng)制風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的電池箱體

3. 液體冷卻

液體冷卻的制冷效果遠(yuǎn)超于自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷。在復(fù)雜工況下，尤其在高放電倍率（如插電式混合動力應(yīng)用）、高充電倍率（如快充應(yīng)用場合）、較高的運(yùn)行環(huán)境溫度（南方夏季酷熱天氣，氣溫≥35℃）時(shí)，依靠自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷很難滿足散熱需求，而且電池之間的溫度不均衡性也非常突出，因此需要效率更高的傳熱介質(zhì)才能達(dá)到電池包的散熱需求。液體介質(zhì)相對于空氣介質(zhì)擁有更大的導(dǎo)熱系數(shù)，通常的設(shè)計(jì)是電池的熱量通過液冷板外壁與液體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)換熱。另外，也有將電池直接浸泡在礦物油之中實(shí)現(xiàn)換熱。

液體冷卻原理圖

4.   相變材料冷卻（直冷）

相變材料是一種能夠利用自身的相變潛吸收或者釋放系統(tǒng)熱能的材料，在其物相變化過程中，可以從外界環(huán)境吸收熱量或者向外界放出熱量，從而達(dá)到通過能量交換控制環(huán)境溫度和利用能量的目的。此方案在多電池包系統(tǒng)中運(yùn)用較少，不做詳細(xì)介紹。

二、加熱方案設(shè)計(jì)

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 TemperatureCoefficient），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(zhuǎn)換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點(diǎn)而被廣泛使用。其中陶瓷PTC元件較為常用，其成本較低，對于目前價(jià)格較高的動力電池來說，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通過加熱外殼體而將熱量傳導(dǎo)給其他結(jié)構(gòu)。

 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(zhì)，還存在一類柔性PTC。柔性PTC是指其PTC的組織結(jié)構(gòu)柔軟、重量輕、厚度?。ㄍǔ？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。

三、保溫方案設(shè)計(jì)

保溫系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)的功能有點(diǎn)類似，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(shí)停車12個(gè)小時(shí)后再工作，那么在12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)部溫度過快的散發(fā)。