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摘要：电动汽车电池单元温度管理系统设计的合理与否直接关系到电池的使用寿命以及工作效率。本文对电动汽车电池包工作温度的要求进行了分析，并设计了电动汽车电池单元的温度管理系统，经测试，该系统使用效果良好。
关键词：电动汽车；电池单元；温度管理系统
0 引言
随着社会经济的快速发展，能源短缺以及环境污染问题日益严重，这极大地推动了新能源电动汽车产业的快速发展。在电动汽车中，锂离子电池以其电压高、重量轻、无污染等优点得到应用，但是，锂离子电池的工作性能与工作温度息息相关，因此，对电池单元的温度管理系统设计展开探讨十分必要。
1 电池包工作温度要求
电池包中的电池单元对温度范围的要求很高，通常情况下，理想的工作温度区间如图1所示。电池单元的温度主要受两方面因素影响：（1）电池单元本体工作时产生的热量；（2）外界环境温度对电池单元的影响。
根据图1可知，电池包内部的最佳工作温度范围在20～35℃。当温度低于0℃时就会影响电池包充电的速度，出现常见的析Li现象，同时将加速放电，影响续航里程；当电池包工作温度超过40℃时，其使用寿命将开始受到影响，随温度的不断升高，其受损程度将逐渐加大。
2 电动汽车电池单元温度管理系统
2.1 鼓风式温度调节装置
对电池包实现温度调节控制有多种方式。在设计初期，绝大多数的电池调温方式，是使用鼓风机产生的风作为温度传递的载体，通过向电池包内部吹入具备一定温度的冷风或暖风，为电池单元实现温度调节的功能。该装置的最大优点是结构简单，开发周期短，成本低廉，易于实现；但是其缺点也同样明显，最显著的问题就是换热效率低，以及无法保证电池包中每一个单元都得到充分的换热，易造成换热不均匀的问题。
2.2 液体调温装置工作原理
在分析液体调温装置前，首先介绍一下其中的重要部件——Chiller热交换器。在某种程度上，可以将其定义为一个中间环节的热交换器，以防冻液（50%水+50%乙醇）为热交换载体与低温空调制冷剂之间进行热交换，从而实现热量的转换及传递，完成对电池包的温度调节。
由图2可知，依据介质的不同将液体温度调节装置分为制冷剂循环及防冻液循环两个工作区域，两个循环的换热过程均集中在Chiller热交换器内部。由空调系统运行后产生的低温制冷剂进入Chiller热交换器内部，与此同时在循环水泵的作用下防冻液也进入Chiller换热器内部。两者在各自独立的通道中循环，通过彼此层叠的特殊结构，利用接触传导功能，实现温度的传输，为电池包降温。同理，在加热过程中则需要加热模块发挥作用，实现对电池包的升温。
相对于电池包降温功能的复杂性及能量的二次传递转换，电池包升温就简单得多了。在升温过程中，Chiller热交换器仅仅相当于通道，并没有热交换在此发生。
2.3 Chiller热交换器的结构
Chiller热交换器之所以具备高效的换热功能，与其特殊的结构是密不可分的。确切来说，可以将其定义为一款双介质、多通道的换热器。Chiller换热器由膨胀阀、防冻液配管及换热器芯体组成。
3 水冷板
与Chiller热交换器完成温度传导后的防冻液，将循环进入电池包中的另一个关键换热执行元件——水冷板中，再由水冷板与电池单元实现具体的换热功能。
电池包中的水冷板大体上可以分为整体式水冷板和分离式水冷板两大类。整体式水冷板出现得更早，应用更广泛，结构及布置形式也相对更简单。分体式水冷板是近几年才出现
新型换热板，其换热效率更高，当然结构更复杂，成本也更高。
3.1 整体式水冷板
整体式水冷板一般布置于电池包下部，与各个电池单元的底面紧紧贴合在一起，通过热传递来实现电池包的温度控制。
整体式水冷板为了最大程度提升水冷板的换热效率，其中使用的防冻液流道为壁厚2.5mm的一次挤压成型的11通道扁管，在最大限度增加换热能力的前提下，也实现了零部件的减重。
3.2 分体式水冷板
整体式水冷板的最大问题是热交换不充分，它只能与电池单元的底面接触换热，因此无法保证电池单元的其他部分得到充分的热交换，无法很好地保证电池单元温度的均匀性。基于上述原因，在整体式换热板的基础上又衍生出了效率更高的分体式换热板。
分体式换热板除了具备整体式换热板的全部功能以外，还增加了高效的獨立的片式换热单元。这些片式换热器被均匀布置在电池单元之间，通过增加换热接触面积实现对电池单元温度均匀性的控制。该结构最显著的特点是将原有的单一的底面接触换热方式，变为多面接触的高效换热方式。
防冻液通道内的液体由片式换热单元的进口流入换热器，完成热交换后再由出口流出，实现与电池单元的多接触面换热。理论上，片式换热器布置得越多，电池单元的热交换越充分，温度的分布也越均匀。
4 实车测试
分体式水冷板结合Chiller换热器对电池包的降温效果是否满足使用要求，还需要通过实车测试来进行论证。为了保证测试环境的稳定及准确性，选择环境模拟实验室进行相关的实验。
选择具备全天候气候条件的环境模拟实验室，具体设备要求：全光谱日射，最大能量≤1200W；实验室轮毂车速≥150km/h；温度调节范围-30～60℃；湿度范围10%～85%；用于测量温度的热电偶为T型，不少于60个测试点。
4.1 电池包温度反馈值确定
本次实车测试主要内容为：在高温环境下为电池包降温，并论证降温的速率。因此，真实准确的电池包温度信息反馈就显得至关重要。通常情况下采集电池包内温度的主要方式是使用电池包系统自带的电池管理系统（BMS）来获得。电池包内部温度主要包含电池单元产生的热量及外界环境温度叠加的热量。上述热量通过电池包内部温度传感器反馈给BMS，再由BMS输出通过整车CAN总线将信号反馈到空调控制器，由控制器自行完成对空调系统的制冷或制热装置的模式设定。 由BMS反馈给控制器的温度信号是否能真实反映电池包内部的温度，是本次测试能否成功的前提条件。针对此问题，对BMS反馈的温度信号与使用独立外接的温度传感器对各个电池单元进行温度测量的结果进行比较。
BMS反馈的温度值与使用外接传感器对电池单元的实测温度值偏差基本在±1℃的范围内，因此可以认定BMS基本可以真实地反馈电池包内的温度。基于上述原因，在本次实验过程中，使用BMS反馈的温度值作为空调控制器的接收值，由其来设定并调节空调系统。
4.2 测试内容
本次实验为高温、高速极限工况测试，使用换热量为3500W的Chiller换热器及2000W的水冷板。
通常情况下电动车的设计最高时速基本在100km/h，我国大部分地区的最高环境温度大约为45℃，基于上述原因将电动车的最恶劣高温环境条件定义为：车速100km/h；日照强度1000W/m2；环境温度45℃；湿度20%。
电池单元要求的最佳工作温度定义为30℃，电池水冷板在电池包反馈温度超过25℃后开始工作，由于起始环境温度为45℃，远高于电池单元的理想工作温度，因此负责为电池包降温的恒温板从一开始就进入满负荷工作状态，提供最大制冷量。电池单元的温度随着时间的推移逐渐降低，趋于理想的工作温度。实验进行3500s后电池单元的温度约为27.4℃，已经达到理想的工作温度范围。考虑到我国环境温度45℃的情况比较少见，且3500s后电池单元的温度还在下降的過程中，因此可以认定最大制冷量为2000W水冷板，在我国95%以上的地区都可以作为电动车电池包的稳定降温冷却系统使用。
最后需要说明的是在此次实验过程中电动车是以接近最高车速100km/h的速度行驶，电池单元接近最大散热量，而冷却恒温板仍可以使电池包的工作温度持续下降，若在其他低于45℃且车速低于100km/h的情况下，则完全可以满足电池使用条件的要求。
5 结语
综上所述，电动汽车锂离子电池的工作状态与其工作温度息息相关，若温度过高，则会影响到电池工作的安全性及使用寿命，若温度过低，则会降低电池的工作效率以及汽车的行驶性能。本文介绍的电动汽车电池单元温度管理系统能够有效满足高温极限地区的使用要求，具有一定的推广应用价值。
参考文献
[1]一种使用相变材料的新型电动汽车电池热管理系统[J].靳鹏超，王世学.化工进展.2014（10）
[2]电动汽车动力电池组热管理系统研究[J].杨国胜.科技创新导报.2015（04）
关键词：电动汽车；电池单元；温度管理系统
0 引言
随着社会经济的快速发展，能源短缺以及环境污染问题日益严重，这极大地推动了新能源电动汽车产业的快速发展。在电动汽车中，锂离子电池以其电压高、重量轻、无污染等优点得到应用，但是，锂离子电池的工作性能与工作温度息息相关，因此，对电池单元的温度管理系统设计展开探讨十分必要。
1 电池包工作温度要求
电池包中的电池单元对温度范围的要求很高，通常情况下，理想的工作温度区间如图1所示。电池单元的温度主要受两方面因素影响：（1）电池单元本体工作时产生的热量；（2）外界环境温度对电池单元的影响。
根据图1可知，电池包内部的最佳工作温度范围在20～35℃。当温度低于0℃时就会影响电池包充电的速度，出现常见的析Li现象，同时将加速放电，影响续航里程；当电池包工作温度超过40℃时，其使用寿命将开始受到影响，随温度的不断升高，其受损程度将逐渐加大。
2 电动汽车电池单元温度管理系统
2.1 鼓风式温度调节装置
对电池包实现温度调节控制有多种方式。在设计初期，绝大多数的电池调温方式，是使用鼓风机产生的风作为温度传递的载体，通过向电池包内部吹入具备一定温度的冷风或暖风，为电池单元实现温度调节的功能。该装置的最大优点是结构简单，开发周期短，成本低廉，易于实现；但是其缺点也同样明显，最显著的问题就是换热效率低，以及无法保证电池包中每一个单元都得到充分的换热，易造成换热不均匀的问题。
2.2 液体调温装置工作原理
在分析液体调温装置前，首先介绍一下其中的重要部件——Chiller热交换器。在某种程度上，可以将其定义为一个中间环节的热交换器，以防冻液（50%水+50%乙醇）为热交换载体与低温空调制冷剂之间进行热交换，从而实现热量的转换及传递，完成对电池包的温度调节。
由图2可知，依据介质的不同将液体温度调节装置分为制冷剂循环及防冻液循环两个工作区域，两个循环的换热过程均集中在Chiller热交换器内部。由空调系统运行后产生的低温制冷剂进入Chiller热交换器内部，与此同时在循环水泵的作用下防冻液也进入Chiller换热器内部。两者在各自独立的通道中循环，通过彼此层叠的特殊结构，利用接触传导功能，实现温度的传输，为电池包降温。同理，在加热过程中则需要加热模块发挥作用，实现对电池包的升温。
相对于电池包降温功能的复杂性及能量的二次传递转换，电池包升温就简单得多了。在升温过程中，Chiller热交换器仅仅相当于通道，并没有热交换在此发生。
2.3 Chiller热交换器的结构
Chiller热交换器之所以具备高效的换热功能，与其特殊的结构是密不可分的。确切来说，可以将其定义为一款双介质、多通道的换热器。Chiller换热器由膨胀阀、防冻液配管及换热器芯体组成。
3 水冷板
与Chiller热交换器完成温度传导后的防冻液，将循环进入电池包中的另一个关键换热执行元件——水冷板中，再由水冷板与电池单元实现具体的换热功能。
电池包中的水冷板大体上可以分为整体式水冷板和分离式水冷板两大类。整体式水冷板出现得更早，应用更广泛，结构及布置形式也相对更简单。分体式水冷板是近几年才出现
新型换热板，其换热效率更高，当然结构更复杂，成本也更高。
3.1 整体式水冷板
整体式水冷板一般布置于电池包下部，与各个电池单元的底面紧紧贴合在一起，通过热传递来实现电池包的温度控制。
整体式水冷板为了最大程度提升水冷板的换热效率，其中使用的防冻液流道为壁厚2.5mm的一次挤压成型的11通道扁管，在最大限度增加换热能力的前提下，也实现了零部件的减重。
3.2 分体式水冷板
整体式水冷板的最大问题是热交换不充分，它只能与电池单元的底面接触换热，因此无法保证电池单元的其他部分得到充分的热交换，无法很好地保证电池单元温度的均匀性。基于上述原因，在整体式换热板的基础上又衍生出了效率更高的分体式换热板。
分体式换热板除了具备整体式换热板的全部功能以外，还增加了高效的獨立的片式换热单元。这些片式换热器被均匀布置在电池单元之间，通过增加换热接触面积实现对电池单元温度均匀性的控制。该结构最显著的特点是将原有的单一的底面接触换热方式，变为多面接触的高效换热方式。
防冻液通道内的液体由片式换热单元的进口流入换热器，完成热交换后再由出口流出，实现与电池单元的多接触面换热。理论上，片式换热器布置得越多，电池单元的热交换越充分，温度的分布也越均匀。
4 实车测试
分体式水冷板结合Chiller换热器对电池包的降温效果是否满足使用要求，还需要通过实车测试来进行论证。为了保证测试环境的稳定及准确性，选择环境模拟实验室进行相关的实验。
选择具备全天候气候条件的环境模拟实验室，具体设备要求：全光谱日射，最大能量≤1200W；实验室轮毂车速≥150km/h；温度调节范围-30～60℃；湿度范围10%～85%；用于测量温度的热电偶为T型，不少于60个测试点。
4.1 电池包温度反馈值确定
本次实车测试主要内容为：在高温环境下为电池包降温，并论证降温的速率。因此，真实准确的电池包温度信息反馈就显得至关重要。通常情况下采集电池包内温度的主要方式是使用电池包系统自带的电池管理系统（BMS）来获得。电池包内部温度主要包含电池单元产生的热量及外界环境温度叠加的热量。上述热量通过电池包内部温度传感器反馈给BMS，再由BMS输出通过整车CAN总线将信号反馈到空调控制器，由控制器自行完成对空调系统的制冷或制热装置的模式设定。 由BMS反馈给控制器的温度信号是否能真实反映电池包内部的温度，是本次测试能否成功的前提条件。针对此问题，对BMS反馈的温度信号与使用独立外接的温度传感器对各个电池单元进行温度测量的结果进行比较。
BMS反馈的温度值与使用外接传感器对电池单元的实测温度值偏差基本在±1℃的范围内，因此可以认定BMS基本可以真实地反馈电池包内的温度。基于上述原因，在本次实验过程中，使用BMS反馈的温度值作为空调控制器的接收值，由其来设定并调节空调系统。
4.2 测试内容
本次实验为高温、高速极限工况测试，使用换热量为3500W的Chiller换热器及2000W的水冷板。
通常情况下电动车的设计最高时速基本在100km/h，我国大部分地区的最高环境温度大约为45℃，基于上述原因将电动车的最恶劣高温环境条件定义为：车速100km/h；日照强度1000W/m2；环境温度45℃；湿度20%。
电池单元要求的最佳工作温度定义为30℃，电池水冷板在电池包反馈温度超过25℃后开始工作，由于起始环境温度为45℃，远高于电池单元的理想工作温度，因此负责为电池包降温的恒温板从一开始就进入满负荷工作状态，提供最大制冷量。电池单元的温度随着时间的推移逐渐降低，趋于理想的工作温度。实验进行3500s后电池单元的温度约为27.4℃，已经达到理想的工作温度范围。考虑到我国环境温度45℃的情况比较少见，且3500s后电池单元的温度还在下降的過程中，因此可以认定最大制冷量为2000W水冷板，在我国95%以上的地区都可以作为电动车电池包的稳定降温冷却系统使用。
最后需要说明的是在此次实验过程中电动车是以接近最高车速100km/h的速度行驶，电池单元接近最大散热量，而冷却恒温板仍可以使电池包的工作温度持续下降，若在其他低于45℃且车速低于100km/h的情况下，则完全可以满足电池使用条件的要求。
5 结语
综上所述，电动汽车锂离子电池的工作状态与其工作温度息息相关，若温度过高，则会影响到电池工作的安全性及使用寿命，若温度过低，则会降低电池的工作效率以及汽车的行驶性能。本文介绍的电动汽车电池单元温度管理系统能够有效满足高温极限地区的使用要求，具有一定的推广应用价值。
参考文献
[1]一种使用相变材料的新型电动汽车电池热管理系统[J].靳鹏超，王世学.化工进展.2014（10）
[2]电动汽车动力电池组热管理系统研究[J].杨国胜.科技创新导报.2015（04）