新能源汽车冬季如何保证电池包温度?

动力电池在充放电的过程中，会发生反应热 、极化热、焦耳热。

从结构方面，通过动力电池组底部冷板结构设计来保持温度和隔热。从冷却系统方面，通过电池模组空冷、电池模组液冷、电池模组相变材料冷却的方法来保持温度。

单体电池和电池组的结构

单体电池结构

在电池包内部，单体电池以串联或者并联的方式成组。

磷酸铁锂电池的内部结构：电池正极、负极、电解质材料、隔膜等

磷酸铁锂电池正极材料为磷酸铁锂，电池负极材料为石墨，在充放电过程中锂离子在正负极材料嵌入与脱落。 电池内部的集流是电池正负极材料依附的载体，通常集流体在电池内部主要是输运正负极电子，正负极集流体分别采用铝箔和铜箔制备，正负极集流体一般为带状，正负极材料涂布在带状的铝箔和铜箔上制备正负极片。

锂离子电池中隔膜：其作用阻止电子在电池内部反向移动，电池隔膜在电池内部只允许锂离子通过，隔膜的存在使正负极隔开，电池隔膜不具备导电性。

锂离子电池中电解液：用在电池内部运输电荷，电解液一般具备较好的锂离子导电性能。目前锂离子电池内部的电解液一般都采用非水溶剂和电解质盐作为锂离子的载体。 在电池内部还存在一种固体电解质界面膜，简称SEI 膜，其产生的原因是因为全新的锂离子电池在最开始的充放电后负极材料会与电解液发生化学反应从而使得在负极表面存在一层钝化层，这个钝化层即为 SEI膜。

电池包的结构组成

电池包的结构组成电池、箱体 、冷板、导热硅胶 、螺栓、支架等。由于电池包会产生一定的热量，电池箱体结构必须考虑箱内电池固定、隔热、绝缘等因素，其中下箱体包括冷板、侧围、底座、底架，与上箱体通过螺栓连接固定。

锂离子电池的工作原理和发热来源

锂离子电池工作时，其正极发生氧化反应的时候，锂离子从电池正极脱离。当锂离子脱离正极后进入电解液中，锂离子穿过隔膜后到达负极，在负极发生还原反应，一起嵌入负极。 由于电池内部隔膜的作用，电池内部的电子不能在电解液中进入负极，电子会经过正极集流体进入电池外部的电路，电流会在电路中流入负极参与还原反应。 锂离子电池的放电过程与充电过程相反，锂离子电池放电时负极发生氧化反应，锂离子从负极脱离经过隔膜进入正极，发生还原反应并嵌入正极，电子流经负极集流体到达正极参与正极的反应。

锂离子电池在工作时不断地充放电，随着化学反应的进行与物质的迁移的过程会产生大量的热量。

锂离子电池产热来源：反应热 、极化热、 焦耳热

电池反应热：锂离子电池在工作过程中，由于正负极电化学反应而生成的热量。锂离子电池在工作过程中，进行充放电的过程，即为反应热产生的过程，在充电过程中的锂离子电池发生吸热反应，其产热的反应热为负值，放电过程锂离子电池发生放热的反应，产生的反应热为正值。

电池的焦耳热：由于电流的流动产生的热量，电流通过内阻时产生的热量，其中电池的内阻：正负极集流体、电解液、隔膜、正负极材料

电池的极化热：由于电池内部发生极化反应而产生的热量。电池的极化通常是由锂电池电极的电位偏离而引起，发生极化时，电池的开路电压与平均端电压之间的差距会引发极化热。通常极化热一般假定为存在一个极化内阻R ，当电流流过极化内阻时在电池中产生的焦耳热即等效的极化热

电池的副反应热: 由于电极材料的分解 / 高温下电解液的分解所产生的的热量。由于其热量非常小，在电池的工作时通常将其忽略不计。

在电池正常工作状态下，电池产生的反应热较小，电池产热的主要来源：电池的焦耳热 / 电池的极化热。

由于电池在充放电时候产生热量，从结构方面，需要通过电池组冷却板结构的设计来保持温度

电池组冷却板结构和设计

电池组冷却板

在设计动力电池组底部冷板时，流道作为冷板内部的结构，其作用为引导冷却液流动路径，它的设计好坏直接影响冷板传热效果/系统的能耗。流道的横截面形状设计通常为方形或者圆形，但圆形流道的工艺加工要求非常高，一般流道不会加工成圆形而选择方形流道。同时冷板性能还受冷却剂的种类影响，换热系数较高的冷却剂能取得较好的散热效果，通常冷却剂选液态乙二醇水溶液。冷板的基材通常选用导热性能良好的铜和铝等板材。

电池包液冷式热管理系统最关键的组成部件：冷却板，由于要求比较苛刻，常在电池包热管理系统设计中需要满足一定条件：

1）通过振动测试和冲击载荷测试，满足抗冲击力要求

2）材料与装配单件有优秀的机械强度和良好的制造工艺性

3）冷却板结构保证冷却液流动的通畅与一致

4）抗爆耐压能力强（最高耐压达到 4bar）

5）整个热管理系统的运行安全由压降保证

常见液冷系统是安装在动力电池模组旁边，系统通过冷却管与单个电池模组紧密相连，管路里环流动着普遍以乙二醇为主的冷却液，通过热对流及时吸收单个电池模组产生的热量，然后乙二醇通过循环流动，至冷却水箱，并通过风扇将热量散发，之后冷却液再次回到电池模组进行下一次的热量传递循环。

动力电池组底部冷板设计

通常电池包分为 12 个模组，各个模组通常由 28 个单体电池构成，由于电池模组的工作温度高，必须通过设计液冷板进行散热，冷板分为顶板和底板，液冷板的上顶板和电池模组接触，冷板顶板和底板之间采用钎焊连接，内部存在冲压的腔体，电池散热方式为冷却液在腔体中流动，并通过电池和电池冷却板间的导热硅胶来散热。

具体的单体电池组成、原理、发热来源、动力电池组底部冷板设计解释完毕，详述从冷却系统方面，动力电池保持温度的方法。

动力电池保持工作温度的方法

目前动力电池保持工作温度的3种方法：电池模组空冷、电池模组液冷、电池模组相变材料冷却

电池模组空冷方案

电池组的空气冷方式，通过流动的空气带走或者带来热量，对电池模组进行降温/升温，使得电池模组在安全的温度范围内运行和工作。目前空气冷却的方案多是通过设计风扇、电池排布 、空气流经路径、交替通风等方式来实现电池模组的热管理。

串行风冷的方案相对简单，其根据散热的需求设置送风装置的分布位置，这样对模组尺寸的包容性更加好，缺陷就是易造成温度分布的不均匀。行业内专家设计了一种具有散热孔的电池模组强制空冷散热方案，且与三种典型阵列的电池组的散热情况对比，对不同进口的空气温度和进口风速对电池模组的冷却效果进行分析，最终发现并排的模组降温效果最佳，其温度均匀性最出色。

其次是交叉错排、对齐错排。这种分层空气冷却方案将空气的区域划分为上和下两个部分，同时设置异侧的空气进出口。行业内人员还特意通过仿真验证，与未分层的方案进行对比，新方案中的电池温度的均匀性大幅度提高，而且还降低电池组的最高温度和最大温差，最大平均温差只减小了 1.1℃。这种通过在电池进口处，增加了整流栅格的方法进行反向分层气流的改善，降低电池进口处温度的波动，平均温度竟然降低了 2.7℃，行业内人员还想通过改变电池间距、空气域层数、扰流片的增加、空气流速的改变方案进行结构优化。

虽然并行空冷的方案，其电池冷却的效果更出色，保证了电池温度的均匀性，但是由于并行风冷送风口设计在电池轴向的方向，会对送风口的布置和模组尺寸的要求提高。行业内专家又设计了纵向气流的强制空冷方案，行业内人员也通过实验和仿真这种散热方式下的三个排列的模组散热情况，最终显示这种空冷方案竟可显著降低电池组的最高温度。最终提出了基于并排风冷分布式的风冷方案，在模组中，每个电池之间设计空气管道，其通过改变管道上孔的直径和数量获得最优管道的参数，将模组最高温度成功降低，并改善温度均匀性。

电池模组液冷方案

液体冷却一般具有较高的传热系数，它可带走电池模组非常多的热量，这样液体介质可以同时循环利用，将成本一起降低了。而且其高效率和低能耗，目前液冷成为电动汽车热管理系统的最佳的方案。

行业内还有专家利用空调制冷剂冷却电池组，其研究了改变制冷剂流动方向对模组冷却效果的影响，这种系统可以自动控制整体模组温度，当外界的极端环境温度在 40℃下，它可以将电池模组的温度控制在 35℃以下，且模组温差可保证在 1.5℃范围内，当制冷剂回路的进出口处于同侧时，冷却剂可对电池冷却两次，模组温差小于进出口在两侧时的温差。

总结

对于电池包热管理拉说，温度是影响锂离子电池安全、性能和寿命的重要因素。温度过高时，电池会加速衰老；温度过低时，电池的性能会明显衰减，同时也会加速衰老；极端高温会对电池造成不可逆的损伤，严重时甚至会破坏电池。另外，单体电池间的温差过大会影响电池的一致性，从而降低电池组的性能和寿命。所以热管理的设计比较重要，各项技术要求也较高，要求：轻、阻燃、低导热率、耐候性强抗高低温、有应力应变等要求。