图1  锂离子蓄电池的三种冷却方案

蓄电池是电动汽车的关键部件。除了成本居高不下外，其使用寿命、容量以及冬季性能等问题都有待进一步解决，其中，锂离子蓄电池的温度管理则是一个核心问题。

锂离子蓄电池的三大冷却方案

对锂离子蓄电池进行温度管理基于它对温度的敏感性。锂离子蓄电池最佳的工作温度范围与其实际的化学组成成分有着密切的关系。原则上讲，锂离子蓄电池的存放温度应尽可能地不要高于60 ℃，工作温度应尽可能地不要高于40 ℃。另外，在温度低于-5 ℃时锂离子蓄电池的充、放电性能会变差。在工作温度为45 ℃时，其老化速度加快，几乎不可能达到要求的使用寿命。

对于锂离子蓄电池的冷却方式而言，目前主要有三种。在过去的一段时间里，人们已经根据不同的蓄电池几何尺寸和蓄电池类型研发出几种不同的冷却方案以及多种蓄电池冷却与汽车空调系统的集成方案。原则上，上述方案可概括为三大类（见图1）：

1. 与汽车空调系统相结合的风冷方式

在这一冷却方式中，蓄电池直接由车内冷却循环空气进行冷却，或者由专门的蓄电池冷却空气进行冷却。在利用车内冷风进行冷却时，蓄电池的冷却状况与车内的空调状况有关，即要在车内空调舒适性与蓄电池所需冷却之间找到一个平衡点。后一种利用单独的专门冷却设备对蓄电池进行冷却时则不存在这样的制约，但这要在电动汽车中增加了一些冷却设备的空间占用，增加了整个系统的复杂程度。

图2  梅赛德斯－奔驰 S 400混合动力轿车的蓄电池冷却装置

2. 专用制冷剂冷却方式

最紧凑的方式是利用制冷剂直接对蓄电池进行冷却。在这种冷却方式中，冷却板直接与锂离子蓄电池相互接触。同时，它也起到了冷却剂蒸发器的作用。冷却板上的冷却管设置应保证随时在各个地点都有冷却剂。只有这样，才能实现蓄电池中所需的温度管理。蓄电池冷却器可以与车载空调主冷却器平行工作，可以根据车内温度调节的需要相互独立地运行。通过非常紧凑的结构设计，使得这一系统只需占用很小的空间就可以了，因为，冷气循环只在室外温度大约-5 ℃时才开始工作，蓄电池在室外温度很低时不需要主动冷却。

3. 冷却液制冷方式

这是一种最灵活、最节能的蓄电池冷却方式。在这一方式中，蓄电池的冷却板中流动的是二级冷却回路中的冷却液，而二级回路中的冷却液又被所谓的“Chiller冷水机”所冷却。在“冬季工况”下，也就是在室外温度较低的情况下，这一冷却系统由一辅助的低温冷却器驱动。

模拟和验证中尚未涉及的新领域

为了最好地满足蓄电池冷却系统的这些要求，就要把整个系统作为一个整体来考虑：每一个蓄电池块都要作为一个热源来考虑；热接触点，也将是从电池块至冷却介质的物理接触点；车辆具体的使用情况：用户对功率、效率和舒适性提出的各种要求；发动机冷却系统与蓄电池低温冷却的结合。

而锂离子蓄电池的冷却要比传统的发动机冷却复杂得多，既要理解热源的位置，又要理解蓄电池块散热机制。只有知道了这些，才能合理地设计出锂离子蓄电池的冷却系统。因此，冷却系统的热力学设计仅靠常规的数字化验证工具是不够的。

Behr公司蓄电池冷却系统热力学设计的出发点是各个蓄电池块的热-电学检测。该公司拥有专门的测试设备，能够根据不同的电流强度、电流方向、充电状态和温度的相互影响下自动地测定蓄电池块的散热状况。这些结果构成了所有可能的行驶状况下各个蓄电池块热力学模拟的基础，也是测定锂离子蓄电池整体数据的基础。因此，Behr公司独立自主地研发设计了BatSim（蓄电池模拟）软件系统。

图3  层板设计的冷却板：能够实现紧凑的冷却液流动

对散热途径的分析具有非常重要的意义：因为它真实地表示了蓄电池冷却装置在蓄电池块上的安装位置。散热途径的分析使用了最常见的FEM有限元法分析工具。而FEM有限元法的检测精度则与FE有限元模型中蓄电池块内部的耐热性能有着密切的关系。在这里，锂离子蓄电池块的供应商应和冷却系统专业厂商密切合作。

Behr公司利用自己的模拟工具软件BISS（集成式模拟系统）对冷却元器件按照热动力学原理进行了准确的设计。各个元器件的模拟既可以是静态的，也可以是瞬时状态的模拟，或者是整个冷却系统的模拟。在利用BISS进行系统模拟时，也考虑了气化状况和行驶循环的情况，把蓄电池的冷却与冷却系统、冷却系统与发动机冷却和车辆空调的交互作用结合在一起进行试验。

Behr公司现有的试验台对于以试验为依据的蓄电池冷却认证是非常合适的。在试验时，试验人员用蓄电池块仿制品或者蓄电池仿制品来代替真实的蓄电池块。因为一般来讲，在早期研发阶段还没有真实的蓄电池块可供使用；另外，出于安全考虑也不能使用真实的蓄电池块。通过检测试验，人们得到了有关温度分布的数据资料，尤其是冷却板、冷却剂压力损失的真实数据。

锂离子蓄电池冷却产品

1. 梅赛德斯－奔驰S 400混合动力轿车的蓄电池冷却系统

从2009年起在世界各地大批量投放市场的S 400混合动力轿车是世界上第一款配备锂离子蓄电池的混合动力轿车。Behr公司研发生产的锂离子蓄电池冷却系统（见图2）直接集成到车载空调系统中，由制冷剂挥发而直接进行制冷。

图4  Chiller冷水器把二级冷却循环回路中的热量传导到车辆的冷却循环中

2. 新的冷却板方案

冷却板的冷却面与蓄电池块的发热面直接接触。它的任务是通过冷却面尽可能地保障温度的均匀。除了这一热动力学的要求之外，成本费用、重量和空间占用等当然也都是非常重要的要求。由于对冷却板的要求并不是完全一样的，因此Behr公司研发生产了两种冷却板。

（1） 层板结构的冷却板

层板设计中冷却板由一层底板和一层面板以及多个位于两层把中间的冲压成形的通道组成（见图3）。这种结构形式允许冷却介质按照复杂的流动形式流动，从而也优化了温度的均匀性。除此之外，这样的结构也在一定程度上起到了承重结构件的作用。若侧重点在于降低成本和减轻重量，而不太注重温度的均匀性时，这种结构可以减少到只用两块铁板。这种层板设计的冷却板是根据实际应用而专门设计的，优先适合于大批量生产的场合。

（2）模块化的冷却板

当批量较小时或变型产品的数量较多时，则模块化结构的冷却板则更有意义。对此，Behr公司专门研发设计了另一种冷却板：由挤出工艺生产的冷却管和汇总管组成。冷却管的总长可以确定冷却板的长度，冷却管的数量决定了冷却板的宽度，从而不会增加生产模具的费用。这种结构形式不仅仅具有模块化的特性，而且其重量也很轻。

3. Chiller冷水器

Chiller冷水器（见图4）是把二级冷却循环回路中的热量传导到车辆的冷却循环之中的导热元器件。从技术角度，它是建立在性能可靠的叠层板机油冷却器基础之上的产品，只是没有叠层板机油冷却器所需的湍流导入装置。通用汽车雪佛兰Volt和欧宝Ampera混合动力轿车都是世界上首次在大批量生产中采用这种蓄电池冷却方式的车辆。

Chiller冷水器的下一代产品也采用了模块化的结构设计，有着不同的功率等级，其规格大小由叠层板的数量决定。这样，就可以经济地小批量生产产品及其变型产品了。

4. 自给自足的蓄电池冷却系统

对于有着小型车载空调设备的混合动力汽车以及蓄电池冷却系统无法集成到现有的设备中时，例如载货汽车或公交车等，其蓄电池可以通过自给自足的冷却系统进行冷却。这一系统由独立带Chiller冷水器的空调设备和带低温冷却的二级冷却回路所组成。这样，蓄电池就可以在各种气化环境中按照实际需要进行冷却。当外部环境温度较低时，低温冷却循环就足够了。其带来的好处是这种冷却系统所消耗的能源非常少、工作效率非常高。

在夏季温度较高的时候，该系统可转换到Chiller冷水器驱动的工作方式下工作，利用空调设备实现高效的冷却。这样一来，也可以明显地提高蓄电池的使用寿命，从而明显地减少总寿命周期的费用。这一系统的另一大优点就是其结构非常紧凑，从而有着很高的集成性，能够很好地集成到现有车辆中。因此，它既可作为车顶的部件安装在车辆的顶部，也可侧置放在有蓄电池的一侧作为侧置部件使用。