从温差控制到均温管理：论电动汽车电池测温与热平衡策略

一、锂离子电池具有温度敏感性

电动汽车依赖锂离子电池的动力，因为就体积和质量而言，这种电池的储电量是铅酸电池的三倍。这对电动汽车来说是一个重要参数，因为电池体积越小、重量越轻，车辆的预期续航里程和性能就越高。但锂离子电池内部的化学组分——锂、镍或钴，以及石墨、铜和铝——对温度非常敏感。

锂离子电池的最佳性能发挥温度范围在10°C至25°C之间。电池储存温度越高，其自放电速度就越快。在大多数情况下，冰点以下的温度不会显著损坏锂离子电池（因其不含水分），但低温同样会降低电池性能。

二、热管理系统的必要性与核心目标

由于牵引电池（即动力电池包）由数百个电芯组成，其内部的温度分布并不均匀。因此，热管理的必要性毋庸置疑，但如何建立一套系统，始终将所有电芯维持在相同温度，则是制造商们借助智能、全面的数据采集解决方案，在研发过程中不断探索的问题。

当今最先进的电动汽车牵引电池热管理系统，通常会在电池系统中集成热交换器，以保持所有电芯温度近乎恒定。集成热交换器非常重要，因为电芯之间过大的温差会导致其老化速率不同。否则，部分电芯会比其它电芯更热，从而老化得更快。如果出现较大温差，整个电池包的使用寿命很可能会缩短。

因此，热管理系统的开发人员致力于维持电芯间的温差，目标温差是控制在2–3°C。在最坏情况下，可接受的温差可达6–8°C，但这种温差通常出现在较大的电池包中。

三、影响热管理系统设计的三大因素

对于热管理系统的开发，一个至关重要的问题是：电池包可能充电和放电的频率、速度如何。由于生热取决于对电力可用性的基本需求，因此了解所谓的“工作循环”非常重要。用于高功率应用的电池包，其生热量自然会高于用于可再生能源存储的应用。

另一个重要方面是装载有牵引电池的车辆使用地域。在环境温度极高的地理区域，电池将在已经较高的温度水平下开始其工作循环，从而老化得更快。这一事实必须在热管理系统开发过程中予以考虑。

影响电动汽车电池热管理技术的第三个因素是电芯本身的化学成分。根据锂离子电芯化学成分的不同，其在高负荷和高温运行下的性能表现各异。

工作循环、地理条件和电芯化学特性共同构成了决策的基础，决定了在牵引电池热管理中应选择何种材料和策略。其他影响参数则由传热物理特性决定，这与电池包在车辆内的布局密切相关。必须考虑的三种不同类型的热传递是热传导、热对流和热辐射，它们的发生取决于热源及其通过周围材料分布的不同方式。

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四、主动式热管理：风冷和液冷

热传导指热量在两个直接接触的物体间的直接传递；热对流是热量通过液态介质传递至散热装置的过程；而热辐射则是物质中带电的电磁热粒子从一个热源向另一个热源的辐射传热，该过程通常以空气为介质。三种传热方式均需在电池系统设计中考虑，但热传导和热对流对热管理系统设计的影响最大。

对于主动式热管理而言，关键是通过空气、液体或制冷剂等介质来阻止热量积聚或实现散热。这些介质会在电池包内流通并流经电池单体，从而降低其温度。

主动式热管理最常用的两种方案是风冷和液冷。

风冷系统的优势在于能快速响应温度变化，且重量低于液冷系统；同时，冷却气流可直接流经电池单体，实现热量消散。但风冷的缺点也很明显：散热效率不及液冷，且受气流设计影响，可能出现散热不均的问题。处于气流前端的电池单体冷却效果较好，而气流在流经过程中会逐渐升温，对后端单体的冷却效果会大打折扣。这种冷却不均会导致电池单体老化速率差异，进而缩短电池包寿命。

相比之下，液冷系统的优势是散热效率高，能快速将电池单体的热量导出；且系统中若配备加热元件，还可在低温环境下为电池单体保温。但液冷系统也存在两大弊端：因介质质量较大而整体重量偏高，且存在电池包内冷却液泄漏的风险，这些都是研发人员需应对的挑战。

五、被动式热管理：材料与结构设计

被动式热管理则无需向电池包内通入空气、液体等冷却介质，即可降低电池单体的温升。其实现方式是通过结构设计和材料选型，抑制电池单体内部及单体间的热量扩散。例如，采用铝制或金属外壳，可将电池单体的热量传递至壳体并分散，再通过壳体向外界辐射散热。另一种依托电池包外壳设计的被动冷却方案，是在壳体表面增设散热鳍片。车辆行驶时，鳍片可强制气流流经电池包，从而实现散热。

被动冷却的另一类材料选择是相变材料（PCM）。相变材料的特性是会随环境温度变化呈现不同的聚集状态，受热时通常会经历从固态到液态的相变过程。在被动热管理系统设计中，相变材料一般为固态块体（多以石蜡和石墨为基底），经加工或模塑后填充在电池单体之间。当电池单体升温时，相变材料会吸收热量并通过软化或熔化实现热量分散。由于相变过程需消耗大量能量，因此相变材料是一种高效的被动冷却方案。

六、总结

随着电动汽车结构和电池包电气性能的持续发展，热管理系统也在不断演进。因此，在热管理系统设计和电池热管理测试阶段，精准的温度测量必不可少。对于后续的研究、分析和研发工作而言，一套安全、精准且易用的温度测量系统，是为电动汽车牵引电池选择合适的主动 / 被动热管理材料与设计方案的关键工具。

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