电动汽车和电网电池组在负载下的热行为

主要收获

• 模块温升既是电气负载的结果，也是散热的结果。
• 平均封装温度掩盖了局部热点及其扩散现象，而这些现象会导致早期降额和老化不均。
• 在同一项耦合Pack研究中对占空比、电流和热流进行建模时，冷却尺寸的计算效果最佳。

电池组的热限制既取决于电气负载，也取决于散热硬件。

在电芯达到安全阈值之前，温度就会限制电池组的性能。2024年，全球电动汽车销量突破1700万辆，占汽车总销量的20%以上，因此，微小的热设计失误如今已不再仅出现在试点车队中，而是普遍存在于主流车型中。 必须将温升视为一种电学现象，因为工作周期、电阻和散热能力会同时作用于同一个电池组。正因如此，电动汽车电池热管理系统应从最初的尺寸选定阶段起就纳入电池组建模之中。

电池热管理系统将热量传导至环境

电池热管理系统的工作原理是将热量从电芯中导出，并通过散热板、气道或冷却液回路将其传导至环境温度。该系统可限制峰值温度，抑制电芯间温度蔓延，并在负载条件下使电池组保持在可用功率范围内。

一款液冷式乘用车电池组清晰地展示了这一原理。电芯在胶卷或电极堆内部产生热量，热量穿过罐式或袋式外壳，随后流向冷板、冷却液、散热器，最终散逸到车外空气中。风冷式电网储能柜遵循相同的原理，但热传导路径较弱，因为空气的导热能力不如液体，通常需要更大的表面积。

可以将该系统视为一条由热阻组成的链条。如果其中一环存在缺陷，整个电池组的工作温度就会高于预期。即使配备了强大的水泵或风扇，也无法解决因模块内部结构致密而导致热量积聚的问题。正因如此，电动汽车电池系统的热管理首先要从电芯到电池组的热传导路径入手，然后根据该热传导路径来确定冷却器的规格。

“你需要将温升视为一种电气现象，因为占空比、电阻和散热能力会同时作用于同一组电池。”

热量散发始于电流通过电阻时的占空比

大多数电池组在负载下的发热，最初源于电流流经内部电阻、连接片、汇流条和接触点。发热量与电流的平方成正比。短暂的电流尖峰固然重要，但长时间的高负载状态更为关键，因为这种状态产生的热量积累速度超过了电池组散热的能力。

一辆货运面包车在长坡道上爬坡的过程就很好地说明了这种模式。电流在几分钟内保持在较高水平，因此连接线中的铜损以及电池内部的电阻发热会持续累积。下坡时的动能回收制动则会在反方向上增加电流。热管理系统将这两种情况都视为热输入，尽管驾驶员会将其中一种感觉为加速，另一种则感觉为能量回收。

工程师们往往就是在这里被平均功率数据所误导。30分钟内平缓的平均功率可能掩盖了10秒内的剧烈启动、反复出现的爬坡路段，或是导致局部温度超过限值的充电脉冲。如果仅根据电学负载来确定电池组的容量，就会忽略导致后续降额的热量积累。

电池温度决定了整个工作范围内可用的功率

电芯温度决定了电池组在给定的荷电状态下实际能够输出或接收多少电量。温度较低的电芯会阻碍电流通过；温度较高的电芯则会更早达到热极限。适中的温度能支持最宽的工作范围。这就是为什么电池组的性能会随温度变化而变化。

在寒冷的早晨启动时，这种影响尤为明显。同一组电池在25°C时能够承受强劲的动能回收制动，但在0°C时会限制充电电流，因为此时锂金属镀层的风险增加，且电压响应曲线变得更为陡峭。经过多次加速后温度升高的电池组，虽然仍可能显示正常的电量状态，但控制系统会因热裕度缩小而限制放电电流。

无需出现故障，可用功率也会减少。电池组的正常工作状态会随着温度的每日波动而变化，这正是电动汽车电池热管理系统的实际意义所在。该系统不仅能防止损坏，还能保障驾驶员、车队运营商和电网调度计划所预期的可用工作范围。

包装内部的温度分布决定了老化风险

温度分布之所以重要，是因为电池组会随着时间推移逐渐老化，其中各电芯的热历史和损耗率各不相同。温度较高的电芯容量衰减得更快，而温度较低的电芯则能提供的可用功率较少。因此，电池组会随着时间推移逐渐失衡，在整个电池组看起来完全老化之前，其可用能量就已经开始下降。

在电池热学研究的综述中，通常将电池间温差小于5°C视为确保良好均匀性的实际设计目标。对于边缘电池直接散热、中心电池由相邻电池隔热的组件而言，在反复快速充电的过程中，其温差会超出该范围。较热的中心电池组老化速度更快，更早达到较高电阻，并开始拖累串联中的其余电池性能下降。

电池组的平衡校正可以纠正电量不匹配的问题，但无法消除老化不均现象。您需要借助热模型来显示温度差异在何处产生以及何时累积。这也是为什么电网用电池组应与车载电池组一样受到同等重视。长时间充放电循环、容器布局以及机架间距可能会形成持久的温度带，从而缩短电池组的使用寿命。

局部热点会触发热降额，而后才是封装平均温度

电动汽车电池组的热降额从测得或推断出的最热位置开始，因为该点最先达到控制限值。一个微小的热点就可能导致电流限值过早触发。而电池组的其他部分可能看起来仍处于安全状态。控制逻辑保持保守，因为局部过热会首先引发实质性风险。

母线接头松动、焊片焊缝受压，或者软包电芯与冷却板接触不均匀，都可能导致这种现象。温度传感器通常安装在组件表面或冷却液出口处，因此内部最热的点会先升高，而传感器测得的平均温度则滞后于此变化。电池管理软件随后会启用安全裕度，而这些安全裕度在驱动器端表现为加速不足、充电变慢或再生制动受限。

仅靠增大散热器是无法解决这个问题的。热点不仅源于热量散逸，还与几何结构、接触电阻、夹紧压力以及传感器位置密切相关。当电池组中测得或推算出的最热点最先达到极限时，整个电池组就会降额。这就是为什么表面分布图和瞬态梯度比单一的电池组温度数值更为重要。

冷却容量随驱动循环中的瞬态热负荷而变化

冷却容量的确定基于设备在实际工作循环中产生的瞬态热负荷，必须涵盖峰值、稳态和恢复阶段。您需要根据时间变化，使热量产生、热质量和散热能力相互匹配。过于简化的容量计算会忽略稳态阶段、峰值突发以及主热事件结束后残留的热量。

以城市公交线路为例，就不难想象这种情况。站点停靠会产生反复的加速峰值，车辆低速行驶会削弱冲压空气效应，而终端快充会在电池组尚未冷却时再增加一个热源。电网电池则面临不同的运行模式，例如先进行两小时放电，随后进行短时间的大功率充电。当您需要一个能够将电流曲线、电能损耗和温升联系起来，且无需将任务拆分为独立假设的模型时，SPS SOFTWARE 正适合这一阶段的需求。

• 在根据热负荷进行尺寸计算时，应采用重复率最高的工况段，因为车队平均值会掩盖短时大负荷的情况。
• 请分别检查充电和放电过程，因为这两者都会产生热量。
• 应包括满载后的热稳态阶段，因为电流下降后电池仍会保持高温。
• 应监测最热的模块位置，而非仅关注电池组出口温度。
• 应预留余量，以应对结垢、泵磨损以及环境温度升高等情况。

这些检查能防止您将散热视为封装阶段的后期工作。它们还能为您解答“如何确定电池组的散热尺寸”这一常见问题提供更清晰的答案。合适的尺寸是指在预期的运行周期内，能够以可靠的裕度和可集成硬件将最热部位的温度控制在限值范围内的最小系统。

“当电池组中测得或推算出的最热点首先达到限值时，该电池组就会降低额定功率。”

耦合电热模型将电应力与温度升高联系起来

耦合电热模型将电池组电流、损耗、热传导路径和控制限值联系起来，因此温度升高问题作为电池组行为的一部分得到求解。这样便能获得一个综合结果，而不是两个相互独立的估算值。您可以直观地看到降额从何处开始，还可以测试设计变更如何改变该限值。

独立的电气模型和滞后的热分析会掩盖潜在问题。在一个文件中电流看似正常，在另一个文件中散热看似正常，但当电池组在陡坡、充电过程或反复的电网支撑脉冲期间仍会出现降额现象。更好的方法是进行严格的耦合分析。当同一模型中电池电阻随温度升高而上升时，你就无需再猜测是电池组的哪一侧导致了限流。

这种判断比再进行一轮孤立的裕度累加更为重要。SPS SOFTWARE在此处非常有用，因为它允许工程师将占空比、电流和温升作为一个综合结果进行研究，而这正是电池组限值在实际使用中表现出的真实情况。能够保持热裕度的电池组，通常得益于早期明确的电热建模，并在电气设计定案之前就已制定好散热解决方案。