電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)電池系統(tǒng)溫度，讓電動車適應(yīng)不同氣候和地區(qū)溫度。簡單來說，整套系統(tǒng)需要解決高溫和低溫兩個問題。

　　低溫的問題

　　電動汽車在國內(nèi)蓬勃發(fā)展，第一下悶頭棍讓人不知咋辦的就下面這個問題：

圖1 2016年1月23日～2013年1月25日氣溫圖

　　在2016年北京寒冬中電動車的實際情況，有下面三個例子：

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

　　2)買了電動車，冬天不是很冷時續(xù)航就只有120km，開了60km后就沒敢開暖風(fēng)。標注160km續(xù)航，實際開著暖風(fēng)，充電兩次才跑100公里，很無語!

　　3)白天-8℃，晚上-17℃，早上充滿178km，開了40分鐘空調(diào)掉到34km，之后再沒開空調(diào)。

　　從案例可以看出，隨著溫度降低，電動車普遍出現(xiàn)嚴重掉電，打開空調(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，下面這個圖就顯示了45℃到-30℃時，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17Ah左右

　　-10度：只能釋放出來16Ah左右

　　-20度：只能釋放出來14Ah左右

　　-30度：只能釋放出來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，會出現(xiàn)想放電放不出來的情況。電池電壓下降后，電池管理系統(tǒng)(BMS)會限制放電電流，一般在電池單體處就會加以限制以便保護電池。

表1 低溫限制放電表格

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

　　這里最嚴重的問題，是在不同荷電狀態(tài)(SOC)，不同氣溫時，駕駛者實際開車時并非保持勻速駕駛，而是高頻的油門剎車切換操控，導(dǎo)致整個車的動力性不均勻。駕駛者不僅要面對道路結(jié)冰，外部嚴寒，還要操心不確定狀態(tài)輸出時車子的續(xù)航變化，這個問題也成為了電動車普及的一個難點。

　　高溫的問題

　　高溫問題隱藏的更深一些。因為在高溫下電動汽車的工作里程反而會增加，但是其實內(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逐漸引起均衡電路更大的壓力，導(dǎo)致整個電池系統(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行時溫度永遠占據(jù)一個很重要的角色。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)壽命和日歷壽命來看，更容易發(fā)現(xiàn)溫度對電池使用時間和充放次數(shù)的實際影響，下面圖片就直觀反映了這一變化。消費者對于手機電池的信心，也影響到了整個電動汽車電池的信心，而要大家接受電池能使用很長一段時間(5年～10年)，溫度是一個必須要控制的一個值。

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)境溫度對電池產(chǎn)生的影響，從某種程度而言，我們也需要認真的理解電池的產(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)熱的計算方法，簡單來說，瞬態(tài)放熱的計算比較復(fù)雜，需要建立熱模型進行測量，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電池進行整體測定，以雪佛蘭Volt為例，會采取下面幾個步驟：

　　1.通過整車的工況，估算電池組需要放電和充電的工況;

　　2.使用仿真來驗證以上的條件;

　　3.通過估算推導(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)計相應(yīng)的散熱片或者散熱間隙;

　　7.通過流體設(shè)計軟件來仿真結(jié)果。

圖9 熱設(shè)計的過程是耦合

　　熱設(shè)計的過程，其實是將外部環(huán)境、車輛動力控制、電池模型和熱控制耦合起來，需要設(shè)置大量的條件來保證電池系統(tǒng)工作正常。很簡單的算法背后，需要大量的使用工況和電池模型的測試。做得好才能保證電池系統(tǒng)在保修期內(nèi)不出問題，否則即使保證單體包換，也會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)可以分為主動式、被動式兩類。被動式是指整個控制系統(tǒng)不需要對熱管理進行調(diào)整，主動式指需要通過采集溫度信號來主動調(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(實際這個很難上車)。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)計上十分復(fù)雜。

　　我們國家的車，也確實從被動往主動，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

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

　　福克斯EV其實是用了PHEV的功率型電池來做能量型電池，它的液冷和加熱系統(tǒng)的性能是比較好的，事實上這款車即使在密西根的冬季也能扛過去。通過整個系統(tǒng)的設(shè)計，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)前充電時調(diào)節(jié)電池包溫度。每個電池用這么些冷卻板，如圖11所示，其實也花了老大的血本?？傮w而言，這也表達了工程師對電池長期使用的憂慮而采取的一種辦法。

　　參考資料：

　　1)圖1 出自《全國度過最"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.