深度解析動力電池系統4種冷卻方式

編者按

目前動力電池系統的熱管理主要可分為四類，自然冷卻、風冷、液冷、直冷。其中自然冷卻是被動式的熱管理方式，而風冷、液冷、直流是主動式的，這三者的主要區別在于換熱介質的不同。

溫度因素對動力電池性能、壽命、安全性有著至關重要的影響。一般來說我們期望電池系統能在15~35℃的區間內運行，從而實現最佳的功率輸出和輸入、最大的可用能量，以及最長的循環壽命（雖然低溫存儲更能延長電池的日歷壽命，但在應用上實踐低溫存儲的意義并不大，這一點上電池和人非常相似）。

目前動力電池系統的熱管理主要可分為四類，自然冷卻、風冷、液冷、直冷。其中自然冷卻是被動式的熱管理方式，而風冷、液冷、直流是主動式的，這三者的主要區別在于換熱介質的不同。

自然冷卻

自然冷卻沒有額外的裝置進行換熱。例如BYD在秦，唐，宋，E6，騰勢等采用LFP電芯的車型上都采用了自然冷卻。據了解后續BYD在采用三元電芯的車型將切換為液冷。

風冷

風冷采用空氣作為換熱介質。常見的有兩種，第一種姑且稱為被動風冷，直接采用外部空氣換熱。第二種則為主動風冷，可預先對外部空氣進行加熱或冷卻后再進入電池系統。早期許多日韓系的電動車型采用風冷方案。

液冷

液冷采用防凍液（比如乙二醇）作為換熱介質。方案中一般會有多路不同的換熱回路，例如VOLT具有散熱器回路、空調回路、PTC回路，電池管理系統根據熱管理策略進行響應調節和切換。而TESLA Model S有一個與電機冷卻串聯的回路，當電池在低溫狀態下需要加熱時，電機冷卻回路與電池冷卻回路串聯，電機可為電池加熱。當動力電池處于高溫時，電機冷卻回路與電池冷卻回路將被調節為并聯，兩套冷卻系統獨立散熱。

直冷

直冷采用制冷劑（變相材料）作為換熱介質，制冷劑能在氣液相變過程中吸收了大量的熱，相比冷凍液而言換熱效率可提升三倍以上，更快速的將電池系統內部的熱量帶走。BMWi3中曾采用過直冷方案。

電池系統熱管理方案除了需要考慮冷卻效率以外還需要考慮所有電池溫度的一致性。PACK有著成百上千個電芯，而溫度傳感器必然無法檢測到每一個電芯。例如TeslaModelS的一個模塊中共有444個電芯，而布置的溫度檢測點僅有2個。因此需要通過熱管理設計使得電池盡可能保持一致。并且較好的溫度一致性是電池功率、壽命、SOC等性能參數一致的前提。

VOLT電池包中每兩片電芯共用一個Fin片，以增大冷卻裝置和電池的接觸面積；而在電芯另一側采用防火隔熱片與相鄰電芯隔離，一方面確保熱量傳導的一致性，另一方面將單一電芯熱失控后對周邊電芯的影響降至最低。

總的來看液冷技術還是目前最為主流的方式。首先是電池發展的趨勢始終朝著能量密度更高的方向邁進，而高能量密度的電池在安全性上的問題就尤為需要重視，熱失控后產生的負面影響會越來越大，液冷方案在換熱能力、換熱一致性、PACK密封性、NVH等方面都有著不錯的表現。其次液冷在傳統車上早已成熟應用，有著完善的供應鏈，當電池系統的設計方案和工藝穩定后成本也可得到有效控制。