电动汽车电池热管理系统（BTMS）核心系统讲解

电动汽车电池热管理系统（BTMS）是其核心系统之一，直接关系到整车的安全、性能和使用寿命。下面我将为你解析基于液体冷却和加热的电池热管理系统的工作原理、关键部件、优势挑战及未来趋势。

动力电池，特别是锂离子电池，其性能、寿命和安全性高度依赖工作温度。

• 最佳工作区间

  电池的理想工作温度范围通常在15℃至40℃之间，最优区间约为20℃至35℃

• 高温危害

  温度过高（如超过60℃）会加速电池容量衰减，增加内阻，极端情况下可能引发热失控（Thermal Runaway），导致起火爆炸。

• 低温危害

  温度过低会使电池内部化学反应速率下降，导致容量和功率输出急剧下降，充电困难，并可能引发锂析出，损坏电池。

• 温差危害

  电池包内各电芯或模组间的温度不均（温差过大）会导致性能参差不齐，加速整个电池包的老化，制约其可用容量。

因此，一个高效的热管理系统旨在将电池温度维持在最佳窗口，并减小电池包内的最大温差（理想情况下应≤3℃）。

二、液热系统如何工作

液热管理系统通过循环的冷却液作为媒介，来为电池散热或加热。

1. 冷却功能

• 吸收热量

  冷却液在电动泵的驱动下，流经电池包内的液冷板（通常与电池模组接触），吸收电池产生的热量。

• 散出热量

  吸收了热量的高温冷却液被泵送到前端散热器（风冷）或与车辆的空调制冷系统（通过Chiller换热器）进行热交换，将热量散发到外界空气中。

• 循环往复

  冷却后的冷却液再次流回电池包，开始下一个循环。

2. 加热功能

• 当电池温度过低时，系统可通过PTC加热器（正温度系数热敏电阻）对冷却液进行加热。

• warmed冷却液流经液冷板，如同“暖水袋”一样为电池加热。

• 一些先进系统还能利用电驱系统产生的废热，通过板式换热器回收余热用于电池加热，提升能效。

一个典型的液热管理系统主要由以下部件构成：

• 液冷板

  直接与电池模组接触的核心换热部件，通常为铝制，内部有流道设计。其设计需兼顾散热功率、可靠性和轻量化。

• 冷却液

  要求具有高导热性、绝缘性（防止短路）、低粘度、宽工作温度范围及良好材料兼容性。常用的是乙二醇-水混合液（比例根据防冻需求调整），也有使用纯有机醇类等介电流体的情况。

• 电动泵

  提供冷却液循环的动力，其转速常可调，以实现按需供给，降低能耗。

• 热交换器：
• Chiller

  连接冷却液回路和空调制冷回路的换热器，用于强化冷却。

• 散热器

  位于车头，通过迎风气流为冷却液散热。

• 板式换热器

  用于不同回路间的热量交换，如实现余热回收。

• PTC加热器

  当需要加热时，对冷却液进行加热的装置。

• 阀体

  （如三通阀、电磁阀）：控制冷却液的流向，实现不同模式的切换（例如，在冷却与加热模式间切换，或在不同热源间切换）。

• 储液罐

  补偿冷却液因温度变化导致的体积膨胀和收缩，并便于加注和排气。

• 传感器与控制单元：

温度传感器实时监测电池和冷却液温度。电池管理系统（BMS）热管理控制器是大脑，根据温度信号和车辆状态，通过算法智能控制泵、PTC、阀门、空调压缩机等执行机构的工作状态。

简单的开关控制已无法满足需求，先进的控制策略对系统性能和能效至关重要。

• 基于模型的预测控制

  系统根据电池热模型、环境温度、车辆工况等信息，预测电池未来的温升趋势，并提前介入热管理，实现更平顺、高效的温度控制。

• 动态规划算法

  将热管理任务分解为多个阶段，通过求解每个子阶段的最优解，来实现系统整体能耗与散热/加热效果的最佳平衡。这有助于在保证电池安全的前提下，尽可能降低热管理系统自身的能耗，从而提升车辆续航。

• 延迟冷却策略

  研究发现，相较于电池温度一达到阈值就立即启动持续冷却，适度延迟冷却介入的时机，可以显著降低系统功耗（实验表明最多可降低约20%），而对最终的电池温度影响很小。

• 多目标优化

  采用响应面法（RSM）、遗传算法等工具，对冷却液流量、入口温度、冷却介入时刻等多个参数进行协同优化，以同时追求“电池最高温度最低”和“系统功耗最小”等多个目标。

优势

挑战

：液体比热容大，导热能力强，散热速度快，能应对快充等高发热场景。

：部件多（泵、阀、管路等），成本相对较高，设计和布局难度大。

：能有效减小电池包内温差，延长电池包整体寿命。

：冷却液泄漏可能导致绝缘失效、短路等安全问题，对密封可靠性要求极高。

：易于在电池包内布置，能量密度高。

：泵、PTC、额外的冷却液等都会增加重量和能耗，需优化控制以最小化影响。

：既能冷却也能加热，适用温度范围广。

：在极寒环境下，不仅要加热电池，还需防止冷却液本身冻结。

1. 高度集成化

   将电池热管理、电机电控热管理、乘员舱空调系统深度耦合，形成整车统一的热管理系统。例如利用热泵空调系统，在不同部件间高效转移热量，大幅提升能效。

2. 精准化与智能化

   部署更多传感器，结合AI算法，实现更精准的温度预测和故障诊断，控制策略将更加智能和高效。

3. 新材料与新介质应用

   探索导热性能更佳、更环保的冷却液。液冷板等部件的材料与制造工艺也在持续优化。

4. 主动安全与热失控防控

   热管理系统正被赋予主动安全的职责。通过实时监测和热失控预警，系统可以在侦测到异常时主动开启最大冷却，或采用隔离设计，尽力抑制热失控蔓延。

基于液体冷却和加热的电池热管理系统，通过冷却液高效传递热量，并依托智能控制算法进行精确调节，是目前保障电动汽车动力电池安全、发挥最佳性能、延长使用寿命的主流且高效的技术方案

虽然系统相对复杂且有成本压力，但其优异的温控能力和潜力，使其在应对未来更高能量密度电池和更快充电需求方面至关重要。随着技术不断迭代，更集成、智能、高效的热管理系统将成为电动汽车进一步发展的重要推动力。

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