天天观察：电动汽车电池包热管理系统研究

从电动汽车动力系统参数匹配及电池包各基本参数计算开始，对整个电池包的热管理系统进行设计、方案布

置和装配。建立电池模组热分析模型并导入 COMSOL，与锂电池模块电化学模型耦合进行温度场仿真分析，对结果

进行可视化处理，提高热管理系统的可靠性，提升电池包性能，从而得出一个合理的电动汽车电池包热管理系统设

(资料图片仅供参考)

计流程，为电动汽车电池包的设计提供一定的依据和参考。

关键词：热管理系统；动力电池包；电化学模型；温度场热分析

作者：石自浩，韩晓宣 上海理工大学

当前，环境保护与节能减排日益受到重视，电

动汽车已经成为汽车行业的主流发展方向。电动汽

车中动力电池包如果出现故障将造成严重后果，电

池包最容易出问题的系统是热管理系统，因此正确

高效的电池包散热管理系统设计就显得尤为重要。

王阳 [1] 等人提出了一种适用于集中电机驱动

纯电动汽车的电池包设计流程；张瑞 [2] 等人在纯

电动汽车电池包箱体模态分析及优化的研究中，运

用 Workbench 建立了某种形式的电池包箱体有限元

模型，对其进行模态分析，提取了 1~6 阶模态下

的固有频率和振型；LI Shui[3] 等人在电动汽车电池

箱的设计优化中，提出了一种优化电池箱机械特征

的方法；BERNARDI[4] 等人提出了一种电池生热率

计算式，该计算式基于电池内部材料发热均匀，为

电池包的温度场仿真热分析热源生热提供了理论依

据。关于电池包热管理系统的设计与研究较少，本

文提出一种较新颖的设计与仿真方法。

本文利用 SolidWorks 进行三维建模，将数据

导入 COMSOL 进行热力学仿真，在确定电池包总

成的基础上进行热管理系统设计。系统由散热系统

通风结构、温度采集模块、热力学仿真分析和电池

散热系统控制策略 4 部分组成。

01、电池包总成

为充分利用电池箱内部有限的空间及合理布

置线束，将电池箱分为 2 层：电池模组置于下层，

电池管理系统、继电器、熔断器及线束置于上层，

显示器置于靠近上层侧箱，如图 1 所示。

电池包内根据设计要求共分为 6 个模组，动力

蓄电池模组是蓄电池单体的集成形式，它占据了整

个电池箱的大部分空间，而蓄电池单体的尺寸形状

又由其相关参数决定 [5]。图 2 是电池模块布置方案。

线束合理化设计需要满足电磁兼容和总线冗

余要求 [1]。电池包通讯线束由各电池模组经过 CAN

总线传输给电池管理系统（BMS），动力线串联 6

个电池模组，并通过总正、总负输出端与电池箱上

层结构中的线路盒内的保险丝、高压主正继电器、

高压主负继电器、预充电继电器、预充电阻、电流

传感器相连接。整车电路系统拓扑图如图 3 所示，

电池包电路布置图如图 4 所示。

图 1 电池包电器布置总装配图

图 2 电池模组布置方案图

图 3 整车电路系统拓扑图

图 4 电池包电路布置图

02、热管理系统设计

当前动力电池散热主要有自然冷却、风冷、

水冷 3 种形式 [6]。从成本、制造难度、技术、电池

蓄电池持续放电需求等方面考虑，本文动力电池包

热管理系统采用风冷方式。强制风冷可分为串行风

冷和并行风冷。基于电池包结构及电芯排布形式，

电池包散热采用串行风冷的形式。本文电池包热管

理系统设计内容主要包括散热系统通风结构、温度

采集模块、热力学仿真分析、散热系统控制策略。

散热系统通风结构

散热系统包括风扇、温度传感器、相关线束等[7]。

动力电池包风冷形式中，散热系统通风结构分为串

行通风结构和并行通风结构，其中串行通风结构电

芯排布简单要求较低，而并行通风结构散热效果较

好，但其电芯排布及固定方式较为复杂。综合散热

需求，所设计动力电池包散热系统通风结构采用串

行通风形式，如图 5 所示。电池箱后部侧板设置 2

个 60 mm×60 mm 的风扇，箱体前部设置有通风口，

通风口设有百叶窗式防水罩用于电池包防水。

图 5 电池包散热系统通风结构

温度采集模块

温度测量方法中，温度传感器类型、数量、测

点位置、测量精度等对电池包散热系统的控制精度

都具有重要影响 [8]。电池管理系统需要监测电池包

至少 30% 的单体，而电池包共 108 个单体，6 个模组，

每个模组为 18 块单体，采用 6 个温度传感器监测。

传感器均匀排布在电池组阵列中间电芯外表面，检

测电池发热量最大的部位。BMS 的每个 BSU 从控

采集模块共采集 18 路电芯温度，实时与 BMU 主控

模块进行通讯监测电池包温度，经 BMU 分析处理，

通过其 FANOUT 通道控制电池包风扇的启动与关

闭，若监测到温度异常 BMU 将通过 HOTOUT 通道

输出告警或切断主回路继电器。

热力学仿真分析

热力学理论基础

（1）热传递方式

电动汽车电池包热量传递方式包括热传导、

热对流和热辐射等 3 种方式 [9]。在电动汽车动力电

池热传递方式中，电池内部热流量均匀产生，并将

总产热量作为内热源加载在电池单体；电池里面电

解液的流动性不好，并且里面辐射换热的影响很小，

所以不考虑电池内部的热辐射和热对流，热量的传

递主要由热传导决定。

热传导其向量表达式为

式中：q——热流密度；λ ——导热系数；∂ ∂ t n ——

温度在 n 方向上的导数；n ——单位法向量。车轮

定位参数影响汽车的操控性和驾驶的舒适性。

（2）动力电池热力学参数

利用热力学和传热学等理论分析电池模组中

各单体电池内部极电池之间的生热及传热原理，建

立传热数学模型，应用有限元、数值分析方法或相

应的试验进行模型验证和优化。

电池内部温度场计算公式如下：

式中：T——温度，℃；ρλ ——电池的平均密度，

kg/m3；Cp——比热容，J/kg·k；λx，λy，λz—— x、y、

z 方向上的导热系数，W/(m·k)；q ——单位体积生

热速率，W/(m2·k)。

BERNARDI 等提出了一种电池生热率计算式：

式 中：I—— 电 流，A；V—— 电 池 体 积，m3；

Rr——电池内阻，Ω；TdUOC /dT——电池的电压随

温度变化的温度系数，通常取 -0.5×10-3 V/K。

电池包热力学建模

建立热力学仿真 SolidWorks 三维模型并通过

数据接口将数据导入 COMSOL，利用 COMSOL 电

池与燃料电池模块生成简化后的热力学仿真模型如

图 6 所示，由 18 个单体电池、模组壳体、流体组成[3]。

图 6 电池模组热力学仿真模型

热力学仿真参数

（1）定义材料属性

选用聚合物锂离子类型、型号 EPC070180SP、

典型容量 1 800 mA·h 的软包电芯，正极为钴酸锂

材料，负极为石墨，极耳为铜合金。表 1 为电池模

组成部分的各材料参数。

表 1 电池包模组组成材料参数

（2）单元网格划分

网格采用自由四面体形式网格，电池包单个

模组共包含 85 153 个域单元、22 006 个边界元和

3 440 个边单元。经过边界层设置，得到电池模组

热分析有限元模型如图 7 所示，并对相关网格面及

域进行命名，便于之后边界条件的设置。

图 7 电池模组热分析有限元模型

（3）边界条件、初始条件及求解器设置

将温度、热流率、对流、热流密度、生热率

和辐射率作用于电池模组有限元模型，选择合适的

求解器对模型计算。

根据电池内部工作电流，由式（3）可计算得

到生热率，如表 2 所示。

表 2 电池模组电流与生热率参数表

温度场仿真结果分析

电池在放电工作时，如果不做散热设计，热

量不能得到及时散发，容易造成电池的温度过高。

而电池的热量来自电池内部的产热，影响电池组温

度场的因素有工作电流、间隙、材料以及对流换热

系数等，基于电芯和电池模组的排布和设计，电池

间隙、材料、对流换热系数均取相同的值，在不同

放电状态、不同风扇速度下温度场的分布，以此来

验证电芯此状态下温度是否在其正常工作范围。

因此，取电池在 1C、5C、10C、15C 放电倍率

时分别对应的电流 18，90，180，270 A 进行温度

场仿真。为保证电芯在放电时正常温度范围工作，

当最高温度上升到 40℃时需要开启风扇对其进行

散热，风扇的速度值设置为 v =5 m/s，电池模组在

不同状态下的温度场云图如图 8 所示。

根据不同状态下电池温度场云图，可以得到电

池模组最高温度和最低温度。由表 3 可知，当电池

以 1C 放电倍率 18 A 电流放电时，在 2 100 s 时电

池达到最高温度为 26.2 ℃，此时不需要开启风扇。

图 8 不同状态下电池模组温度场云图

当电池以 5C 放电倍率 90 A 电流放电时，在 2 100 s

时电池达到最高温度为 40.4℃，相对电芯正常工作

温度范围此时温度偏高，此时需要开启风扇，相同

状态之下开启风扇，速度为 5m/s，在 1 950 s 时电

池达到最高温度为 25.6 ℃，电池在正常温度范围

内工作。当风扇在开启状态下，电池以 15C 最大

放电倍率 270 A 放电时，在 2 100 s 时达到最高温

度为 3.8 ℃，电池在正常温度范围。

表 3 电池模组不同状态时最高、最低温度参数表

电池散热系统控制策略

电池包散热控制策略如图 9 所示。激活电池

包，电池包开始工作，散热系统进行初始化，与风

扇开启设置温度 40 ℃进行比较。高于 40 ℃且低于

60 ℃启动风扇，加速散热，保证电池组温度在正

常范围内工作；当温度低于 40 ℃时关闭风扇；若

发生异常温度高于 60 ℃或低于 -20 ℃度时，通过

HOTOUT 通道切断主回路继电器。

图 9 电池包散热系统控制策略流程图

03、

本文热管理系统中的散热系统采用强制风冷

的形式，利用 COMSOL 软件锂电池与燃料电池模

块建立电化学模型和热分析模型耦合，对电池模组

进行温度场仿真分析。

当把风扇速度为 5 m/s 时，电池模组以最大放

电倍率 15C 270 A 的电流放电，在 2 100 s 时达到

最高温度，最高温度为 32.8 ℃，电芯在正常温度

工作范围 -20~60 ℃之间。

通过以上各模块的完善设计，最终得出一个

合理的电动汽车电池包热管理系统设计流程。为今

后电动汽车动力电池包热管理系统的设计提供一定

的设计依据和参考价值。

【参考文献

】

[1] 王阳 , 宁国宝 , 郑辉 . 集中电机驱动纯电动汽车电池包设计 [J].汽车技术 ,2011(7):32-35,46.

[2] 张瑞 , 施伟辰 . 纯电动汽车电池包箱体模态分析及优化 [J]. 汽车实用技术 ,2018(15):22-25.

[3] SHUI L, CHEN F Y, Garg A, et al. Design optimization ofbattery pack enclosure for electric vehicle[J]. Structural andMultidisciplinary Optimization, 2018, 58(1): 331-347.

[4] BERNARDI D, PAWKOWSKI E, NEWMAN J. A general energybalance for battery systems[J]. Journal of the ElectrochemicalSociety, 1985,132(1): 5-12.

[5] 钱舜田 . 电动汽车动力锂电池散热结构设计与冷却系统仿真[D]. 杭州 : 浙江工业大学 ,2013.

[6] 伍发元 , 吴三毛 , 裴锋 , 等 . 梯次利用车用磷酸铁锂电池成组与管理技术研究 [J]. 电气应用 ,2016,35(2):64-68.

[7] 姜君 . 锂离子电池串并联成组优化研究 [D]. 北京 : 北京交通大学 ,2013.

[8] LU Z Y, Zong Y Y, ZHAO M Y, et al. Modal analysis andoptimization of electric vehicles fast-swap battery box[J]. AppliedMechanics & Materials, 2013, 241-244:1992-1999.

[9] XUE N, DU W, Greszler T A, et al. Design of a lithium-ion battery

pack for PHEV using a hybrid optimization method[J]. AppliedEnergy, 2014, 115: 591-602.

标签： 管理系统 电动汽车 散热系统