電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)電池系統(tǒng)溫度，讓電動(dòng)車適應(yīng)不同氣候和地區(qū)溫度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，整套系統(tǒng)需要解決高溫和低溫兩個(gè)問(wèn)題。

　　低溫的問(wèn)題

　　電動(dòng)汽車在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展，第一下悶頭棍讓人不知咋辦的就下面這個(gè)問(wèn)題：

圖1 2016年1月23日～2013年1月25日氣溫圖

　　在2016年北京寒冬中電動(dòng)車的實(shí)際情況，有下面三個(gè)例子：

　　1)周六今天加班，氣溫-14℃到-15℃。昨天滿電續(xù)航120km，今天啟動(dòng)沒(méi)多久降到93km，到單位單程22.7km，心理預(yù)估將將夠。上班途中開(kāi)了2分鐘空調(diào)不暖，電池掉點(diǎn)厲害，迫不得已關(guān)了空調(diào)裹緊棉襖。開(kāi)到單位電量還有69%，-15度實(shí)際續(xù)航大約才50km，心想遠(yuǎn)地兒還是別開(kāi)車，盡量坐地鐵，要是堵車估計(jì)40km都開(kāi)不到。

　　2)買了電動(dòng)車，冬天不是很冷時(shí)續(xù)航就只有120km，開(kāi)了60km后就沒(méi)敢開(kāi)暖風(fēng)。標(biāo)注160km續(xù)航，實(shí)際開(kāi)著暖風(fēng)，充電兩次才跑100公里，很無(wú)語(yǔ)!

　　3)白天-8℃，晚上-17℃，早上充滿178km，開(kāi)了40分鐘空調(diào)掉到34km，之后再?zèng)]開(kāi)空調(diào)。

　　從案例可以看出，隨著溫度降低，電動(dòng)車普遍出現(xiàn)嚴(yán)重掉電，打開(kāi)空調(diào)后尤為明顯。造成這種現(xiàn)象的主因是電池在低溫下的特性變化，下面這個(gè)圖就顯示了45℃到-30℃時(shí)，A123 20Ah電池單次放電的變化：

圖2 A123電池在不同溫度下的放電曲線

　　可以明顯地看出：

　　25度：放電接近20Ah

　　0度：只能釋放出來(lái)17Ah左右

　　-10度：只能釋放出來(lái)16Ah左右

　　-20度：只能釋放出來(lái)14Ah左右

　　-30度：只能釋放出來(lái)11Ah左右

　　低溫放電，不僅僅是釋放容量小，電池電壓也快速下降，會(huì)出現(xiàn)想放電放不出來(lái)的情況。電池電壓下降后，電池管理系統(tǒng)(BMS)會(huì)限制放電電流，一般在電池單體處就會(huì)加以限制以便保護(hù)電池。

表1 低溫限制放電表格

　　根據(jù)表格顯示，與25℃相比：-10度為原來(lái)能力的33%;-20度為原來(lái)能力的23%;-30度為原來(lái)能力的8%。

　　這里最嚴(yán)重的問(wèn)題，是在不同荷電狀態(tài)(SOC)，不同氣溫時(shí)，駕駛者實(shí)際開(kāi)車時(shí)并非保持勻速駕駛，而是高頻的油門剎車切換操控，導(dǎo)致整個(gè)車的動(dòng)力性不均勻。駕駛者不僅要面對(duì)道路結(jié)冰，外部嚴(yán)寒，還要操心不確定狀態(tài)輸出時(shí)車子的續(xù)航變化，這個(gè)問(wèn)題也成為了電動(dòng)車普及的一個(gè)難點(diǎn)。

　　高溫的問(wèn)題

　　高溫問(wèn)題隱藏的更深一些。因?yàn)樵诟邷叵码妱?dòng)汽車的工作里程反而會(huì)增加，但是其實(shí)內(nèi)部反應(yīng)卻讓電池壽命受到很大影響，特別是單體溫度差導(dǎo)致容量和參數(shù)的變化，使得電池單體間的差異進(jìn)一步的加大。而處在不同溫度的電池單體的電氣特性差異會(huì)逐漸引起均衡電路更大的壓力，導(dǎo)致整個(gè)電池系統(tǒng)可用的能量下降。

　　下圖是電池內(nèi)阻增加的模型和容量衰減模型，可以看到里面電池運(yùn)行時(shí)溫度永遠(yuǎn)占據(jù)一個(gè)很重要的角色。如果電池溫度不受控，容量就得按照指數(shù)的形式衰減。

圖4 內(nèi)阻增加模型和容量衰減模型

　　另一個(gè)角度，如果我們從一款電池在不同溫度下的循環(huán)壽命和日歷壽命來(lái)看，更容易發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)電池使用時(shí)間和充放次數(shù)的實(shí)際影響，下面圖片就直觀反映了這一變化。消費(fèi)者對(duì)于手機(jī)電池的信心，也影響到了整個(gè)電動(dòng)汽車電池的信心，而要大家接受電池能使用很長(zhǎng)一段時(shí)間(5年～10年)，溫度是一個(gè)必須要控制的一個(gè)值。

圖5 A123 電池循環(huán)壽命示意圖

圖6 A123 日歷壽命示意圖

　　上面考慮的都是外部環(huán)境溫度對(duì)電池產(chǎn)生的影響，從某種程度而言，我們也需要認(rèn)真的理解電池的產(chǎn)熱行為。

　　電池產(chǎn)熱在理論上包含幾個(gè)方面，用公式表示是Qt=Qr+Qp+Qs+Qj。Qt是總產(chǎn)熱，Qj代表電流通過(guò)電池內(nèi)阻產(chǎn)生焦耳熱，Qr代表電池反應(yīng)熱，Qs代表電池內(nèi)部副反應(yīng)熱，Qp代表電池極化引起的能量損失。

　　在實(shí)際車輛使用中，我們可以把電池產(chǎn)熱分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種，穩(wěn)態(tài)是指車輛平穩(wěn)行駛時(shí)電池的產(chǎn)熱，瞬態(tài)是指加減速等情況下電池的產(chǎn)熱。下面的圖片是兩種產(chǎn)熱的計(jì)算方法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，瞬態(tài)放熱的計(jì)算比較復(fù)雜，需要建立熱模型進(jìn)行測(cè)量，而穩(wěn)態(tài)產(chǎn)熱則以焦耳熱為主。

圖7 電池穩(wěn)態(tài)發(fā)熱

圖8 電池瞬態(tài)發(fā)熱

　　因此在車型前期需要對(duì)電池進(jìn)行整體測(cè)定，以雪佛蘭Volt為例，會(huì)采取下面幾個(gè)步驟：

　　1.通過(guò)整車的工況，估算電池組需要放電和充電的工況;

　　2.使用仿真來(lái)驗(yàn)證以上的條件;

　　3.通過(guò)估算推導(dǎo)在放電和充電條件下電池組產(chǎn)熱情況;

　　4.考慮系統(tǒng)的選擇方案(液冷和風(fēng)冷);

　　5.以正常值考慮單體電池需要的散熱條件;

　　6.在既定的散熱條件下設(shè)計(jì)相應(yīng)的散熱片或者散熱間隙;

　　7.通過(guò)流體設(shè)計(jì)軟件來(lái)仿真結(jié)果。

圖9 熱設(shè)計(jì)的過(guò)程是耦合

　　熱設(shè)計(jì)的過(guò)程，其實(shí)是將外部環(huán)境、車輛動(dòng)力控制、電池模型和熱控制耦合起來(lái)，需要設(shè)置大量的條件來(lái)保證電池系統(tǒng)工作正常。很簡(jiǎn)單的算法背后，需要大量的使用工況和電池模型的測(cè)試。做得好才能保證電池系統(tǒng)在保修期內(nèi)不出問(wèn)題，否則即使保證單體包換，也會(huì)逐步加大售后的成本和壓力。

　　案例分析

　　從控制性的角度，熱管理系統(tǒng)可以分為主動(dòng)式、被動(dòng)式兩類。被動(dòng)式是指整個(gè)控制系統(tǒng)不需要對(duì)熱管理進(jìn)行調(diào)整，主動(dòng)式指需要通過(guò)采集溫度信號(hào)來(lái)主動(dòng)調(diào)節(jié)溫度。

圖10 XXX公司液體冷卻式熱管理系統(tǒng)與空氣冷卻式熱管理比較

　　從傳熱介質(zhì)的角度，熱管理系統(tǒng)又可以分為：空氣冷卻式熱管理、液體冷卻式熱管理、相變蓄熱式熱管理(實(shí)際這個(gè)很難上車)。液冷與空冷相比，可以快速帶走電池?zé)崃?，降溫更加有效，但是工藝設(shè)計(jì)上十分復(fù)雜。

　　我們國(guó)家的車，也確實(shí)從被動(dòng)往主動(dòng)，空冷到液冷的模式走了。

圖11 單體電池和散熱片示意圖

圖12 內(nèi)部散熱片設(shè)計(jì)

　　上面是Focus EV液冷設(shè)計(jì)的一些細(xì)節(jié)，供大家參考，需要很精確的工藝設(shè)計(jì)。

　　?？怂笶V其實(shí)是用了PHEV的功率型電池來(lái)做能量型電池，它的液冷和加熱系統(tǒng)的性能是比較好的，事實(shí)上這款車即使在密西根的冬季也能扛過(guò)去。通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，綜合使用車聯(lián)網(wǎng)、充電系統(tǒng)和整車控制器，可以讓車子在出發(fā)前充電時(shí)調(diào)節(jié)電池包溫度。每個(gè)電池用這么些冷卻板，如圖11所示，其實(shí)也花了老大的血本?？傮w而言，這也表達(dá)了工程師對(duì)電池長(zhǎng)期使用的憂慮而采取的一種辦法。

　　參考資料：

　　1)圖1 出自《全國(guó)度過(guò)最"凍人"周末多地低溫破極值》

　　2)圖2、表1、圖4、圖5、圖6出自Battery Pack Design Validation and Assembly Guide using A123 Systems AMP20m1HD-A Nanophosphate Cells.

　　3)圖7、圖8出自Nonuniform Heat Source Model for a Lithium-Ion Battery at Various Operating Conditions.

　　4)圖10出自 GCoreLab Thermal Solution for Electric Vehicle

　　5)圖11和圖12出自Dana speech at 6th Green Vehicle Conference V4 20151111.