一起了解电池包冷却与加热的主要方案

mizhongquan

选了好久的话题，这次想初步总结下电池包的热管理相关知识点，对BMS来讲，其实属于周边领域内容；目前BMS硬件与热管理相关的好像只是控制水泵与采集水管温度，更多设计内容都在软件以及模组结构、热仿真部门。（图片来源于网络）


这次主要目标是了解电动汽车上电池包的加热与冷却的代表方案。冷却方案：

风冷

风冷又分为自然冷却与强制风冷。自然冷却就是将电池的热量传递到周围的空气中，不施加额外的对流手段，某种程度上来讲就是“听天由命”；基本上早期的电动汽车都是这种方案，像初代的秦、唐等电池包（下图来源于网络）；当然布局上还是要考虑怎么把内部电芯的热给导出来。


强制风冷就是加了风扇，制造一个对流的工况，空气会以一定的流速流经电池表面，将热量带走到外部环境中；这里面会涉及到风道、流场的设计、风扇的选型等问题；此种方案也多见于早期的电动汽车或者储能模组中；例如雷诺的ZOE电池模组，密封盖上面中间的孔为进风口，另外两个为出风口（下图来源于网络）。

液冷

液冷又可分为直接接触式与间接接触式。直接接触式液冷就是将电芯完全浸入到冷却液中（例如硅油），这种方案听说微宏动力有过，但我没找到具体案例，应用较少。间接接触式是目前电池包主流的冷却方案，指在电池与冷却液之间隔了一个金属板，通过这个金属板来完成热量交换。往往电池包的液冷系统与整车的冷却系统（空调冷却）是交互的，如下图所示：动力电池通过金属板把热量传递给冷却液（水+乙二醇），冷却液又将热量通过热交换器传递给整车的冷却系统，完成了热量的传递；这个过程存在两次热交换。（图片来自于汽车学堂）

冷媒直冷

冷媒直冷解释为制冷剂气液相变冷却，它是利用制冷剂由液态转变为气态时吸热的原理；其实这个就是空调制冷的原理，如下图：


下图为一个典型的电池包直冷方案（图片自于汽车学堂），它与整车的冷却系统蒸发器是并联的，在电池包中会布置直冷板，其实就是一个蒸发器，内部冷媒会存在液态到气态的转变；然后与整车空调共用压缩机、冷凝器部分。


通常冷媒直冷方案都是拿BMW I3来举例：它在电池模组的底部布置了冷板（蒸发器），用来进行模组与冷媒的热交换，冷媒使用了R134a；整体与液冷方案布置差不多。


除此之外，还有相变材料冷却方案，应用很少。加热方案：

加热膜

加热膜一般是由电阻丝、绝缘包覆层以及引线组成（下图来源于网络）；电阻丝一般为镍铬合金或铁铬合金；绝缘包覆层一般为聚酰亚胺（PI膜）、硅胶与环氧树脂。


加热膜原理为电阻通电后发热，在电池包中可以将其贴在模组的外壳上；许多个加热膜串联或并联后由电池包供电，并通过BMS控制继电器电源开关。

PTC

这里是指将PTC直接接触电芯或模组来加热，类似于加热膜方案；PTC指正温度系数电阻，特点是其温度升高后电阻也随之增大，这样反过来会限制其发热功率，最终达到一个稳态温度，安全性比较好；同样地，也需要高压电池来供电；在结构上面，同时要做好绝缘与导热；PTC方案比加热膜要更厚。

液热

液热就是在液冷方案硬件的基础上，加热冷却液来实现进一步加热电芯；具体如下图所示（图片自于汽车学堂），在电池包液冷系统中又并联了一路加热器；在加热时，通过三通阀控制冷却液流经加热器来升高温度，然后通过水泵将其循环流经电芯底部的金属板，进而加热电芯；其中，加热器一般为PTC形式，发热原理与前面的PTC相同。


除此之外，加热方案还有热风PTC、热管、热泵等，其应用相对较少。
参考资料如下：

《电动汽车动力电池系统-设计与制造技术》

《连线新能源-2018中国新能源汽车动力电池热管理产业综述报告》

《2020新能源汽车热管理行业深度报告》

《动力电池热管理系统-汽车学堂》
总结：目前液冷与液热是主流的电池包热管理方案，在电池包上二者可以共用一套硬件；直冷方案比液冷的效果更好，但是在直冷的基础上集成加热功能比较复杂，会转去使用加热膜等方式；走马观花学习了一遍，收获挺大；以上所有，仅供参考。

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针对您关于电池包冷却与加热方案的了解需求，我作为汽车工程师，简要介绍如下：

电池包的冷却方案主要包括风冷、液冷等。风冷通过自然对流或强制对流将电池热量传递至外界空气，简单易行但效果有限。液冷方案则使用冷却液在电池模组间循环，带走热量，效果更佳。

至于电池包的加热方案，通常包括电阻加热、微波加热和热泵系统等。它们通过对电池进行直接或间接加热，确保其在低温环境下性能稳定。

电池热管理不仅涉及BMS硬件的水泵控制、温度采集，更涉及模组结构、热仿真优化和软件的协同工作。合理的设计能有效提高电池性能和使用寿命。