浅析不同热管理对电池寿命的影响

孙 佳 ，张红涛，张宇凤

（长安汽车股份有限公司 北京研究院，北京 100195）

浅析不同热管理对电池寿命的影响

孙 佳 ，张红涛，张宇凤

（长安汽车股份有限公司 北京研究院，北京 100195）

通过对目前国内外汽车行业已投产及在研部分车型的调查，结合日常工作中发现的实际问题，针对这些问题进行了仿真分析及试验验证，根据试验结论阐述不同种类的电池热管理形式的环境适应性以及在不同环境下对电池寿命的具体影响。

电动汽车；锂离子电池；电池热管理；电池循环寿命

在过去的十多年，电动汽车的关键技术取得了许多的突破，但是在热管理系统技术上还需要深入研究。为保证新能源汽车实现真正的产业化，不但需要技术更先进、品质更高的动力部件，更需要真正“坚强”的热管理系统技术，其关键作用就是要保证驱动电机和电池安全使用，延长其寿命，充分发挥动力系统的能力。

电动汽车的热管理系统可简单分为3部分：①乘员热管理，负责驾驶室乘员舱的采暖与降温；②高压电器热管理，电机、充电机、DCDC、电机控制器等零部件冷却；③电池热管理，行车采暖与冷却、驻车采暖与冷却。本文将以目前最受各汽车企业青睐的三元锂离子动力电池为例，对电池的热管理部分进行着重阐述，具体分析不同类型的电池热管理形式的优点与不足，对采用不同形式热管理的车辆在不同的环境下使用的电池循环寿命进行理论估算。

1 锂离子动力电池温度特性

锂离子动力电池受环境温度影响，会引起性能、寿命等多方面变化。

1）性能特性 图1为锂离子电池的温度适应区间以及在不同环境温度下自身对热管理的需求情况。

图1 锂离子电池温度适应区间

图2为某三元锂离子电池在不同环境温度下的放电特性曲线，可见温度越高，电池的放电能力越好。

2）寿命特性 通过多组允差温度段的试验舱循环寿命试验表明，随着温度的升高，电池的循环寿命会随之缩短。图3为某三元锂离子电池在不同环境温度下的1C循环寿命曲线，电池长期在极限温度（55 ℃）下使用，循环寿命较之常温使用减少了近8倍。

3）其他特性 另外，锂离子电池存在0 ℃以下不可大电流充电、电池高温热分解及高温安全等特性。这些特性为行业共识或与本文主题无关，所以暂不在此讨论。

图2 某三元锂离子电池放电特性曲线

图3 某三元锂离子电池循环寿命

2 业内采用及拟采用的电池热管理形式

电池热管理可粗略地分为行车热管理、驻车热管理2部分。

2.1 行车热管理系统

为保障车辆能在相对宽泛的环境温度下的使用并保障电池循环寿命，行车热管理系统的配备势在必行。对于行车热管理通常有以下5种常见形式。

2.1.1 无热管理

常见于国内生产的低速电动车、特种场地车或对于电池芯体温度特性有很强信心的生产企业（如比亚迪E6、日产LEAF、三菱i_miev等）。

优点：成本低廉，达到相同安全指标工艺简单，可靠性高；缺点：使用环境对车辆性能影响大，高低温使用受限。

2.1.2 自然风冷

曾见于国内部分汽车企业（海马、奇瑞等）与高等院校的校企联合进行技术储备的预研车型中，由于目前动力电池多安装于车辆地板下方，绝缘故障等众多因素未见于批量生产车型中。

优点：对车辆高温使用范围有一定的提升；缺点：绝缘等级无法保障，淋雨、涉水试验无法完成，用户感受差。

2.1.3 舱内引风式

大量应用于中国汽车生产企业目前投放市场的先期车型，目前市场占有量较大的江淮ieV4就属于此类行车热管理形式，结构简图见图4。

图4 舱内引风行车热管理

优点：较大幅度地提升了车辆的高温使用范围，也一定程度上提升了电池低温性能（-10～0 ℃效果明显），对电池包的200 mm以下涉水能力也有较大提升。缺点：整车使用一套空调箱，针对电池与成员需求不同工况无法兼顾，而且由于从乘员舱内引风，风量需求较大时将引起乘员舱负压，感受明显。

2.1.4 独立强制风冷/暖式

目前采用独立强制风冷/暖热管理形式的主要为美国CODA公司与长安汽车的部分车型（E30等），结构简图如图5所示。

图5 独立强制风冷/暖行车热管理

优点：动力电池有完全为自身服务的空调箱，解决了共用一套空调箱的控制逻辑与用户满意度问题。极大程度地提升了车辆的高低温运行环境（-20～50 ℃）。并且由于不再需要与车体进行密封，车辆绝缘等级也得以优化，300 mm以上涉水得以实现。缺点：结构过于复杂，车辆总布置困难，成本较高，维修困难，电池快换功能实现较困难等。

2.1.5 液冷/暖式

目前采用液冷/暖热管理形式的主要有美国通用公司的volt与上汽集团的荣威E50（目前只具备液冷功能）等车型，结构简图如图6所示。

图6 液冷/暖行车热管理

优点：兼具风冷的温度调节功能，并通过采用比热更大的液体循环对电池包进行冷却，很大程度上避免了以往由于风冷系统的结构设计不合理引起的电池包内芯体温度差异过大的问题，volt的包内温差更是优化到了4 ℃以内。缺点：成本过高，维修困难，快换功能实现非常困难等。

2.2 驻车热管理

为实现电池低温充电功能，高纬度地区销售的车辆应具备驻车充电加热功能；为保障在高温环境下使用仍能实现快速充电，高温地区车辆也应采用驻车降温系统。常见的驻车热管理形式主要有以下4种。

2.2.1 电阻丝、电热板加热

早期的国产电动汽车大多曾采用，但由于技术成熟度较差，目前市场上已不多见，昌河等部分企业仍在使用。

优点：成本低廉，可使车辆在一定的环境低温下（-15～0 ℃），通过外接电源形式恢复充电功能。缺点：加热效果不均匀，电池包内温差大；BMS对发热元件监控困难，安全隐患大；发热元件功率较低，升温速度慢。

2.2.2 发热膜

从2010年开始，越来越多的汽车企业不约而同在驻车热管理方案上选择了发热膜这一方向，也就是2.2.1方案的升级版本。通过在电池模组的芯体间固定加热膜或在软包电池侧面粘贴加热膜的形式对电池包内进行加热。

优点：温升速度较快，电池包内温差得到一定程度的控制，方案安全性也较2.2.1有较大程度提升。缺点：适用于较大容量的单体，随着膜片数量的增加，BMS的信息采集难度及数量都大幅上升，加热膜片产品本身技术成熟度与可靠性有待提升。

2.2.3 强制风冷/暖

可进一步使电池的可充电环境温度下限降低到-20 ℃，具体方案形式参见2.1.4。但值得一提的是，部分车型如三菱i-miev在不使用行车热管理的同时，乘员舱的热管理系统在驻车充电时将对电池进行强制风冷/暖，取得相同效果。

2.2.4 强制液冷/暖

功能及原理参见2.1.5小节的介绍。

3 车辆常用工况及实际使用的温升特性

为了进一步了解纯电动汽车在行驶过程中的电池温升情况，并对降温需求量增进掌握，特对业内几款已上市纯电动轿车进行了环境舱热害试验，发现伴随着车辆级别的上升，车重与电量选择也出现了同步增加。通过一系列试验，许多车型的试验结果也出现了惊人的相似，见表1。

表1 常用工况温升表

在环境舱的热害试验基础上，开始了针对实际使用工况的温升研究工作，通过对多个试验个体的监控，得到了车辆在实际使用中的电池温升情况。图7对其中2天的代表数据进行了展示，车辆实际使用温升与通过对环境舱内温升试验数据分析的预估结果非常接近。

图7 车辆实际使用温升图

4 国内25个示范运行城市环境特性

接下来对全国25个电动汽车示范运行城市的气候特征进行了收集和整理，对电池热管理的需求方向进行了归纳。

1）需要加热功能的城市，包括北京、天津、郑州、济南、大连、唐山、长春、沈阳、呼和浩特。

2）需要制冷功能的城市，包括重庆、深圳、上海、合肥、厦门、襄阳、武汉、长沙、南昌、杭州、苏州、海口、广州、南通。

可以不用热管理的城市，包括昆明、成都。

4）另外，济南、郑州等靠近分界线的城市，同时需要制冷和加热。

5 不同热管理对电池循环寿命影响

在做好全国25个示范运行城市的气候情况调查后，回过头来看电池寿命的计算工作。首先先确定一个概念，电动汽车电池循环寿命到底指的是哪项寿命？电池循环寿命的定义通常有2种方式：①定功率巡航循环寿命，顾名思义也就是通常指的固定功率进行循环寿命试验；②固定工况循环寿命，即按照某固定工况（NEDC工况等）的车辆输出功率曲线进行循环寿命试验。

下文明确本次计算输入，按照方式①进行。充电按照1C，车辆原始续驶里程设定为160 km，城市选取了4个典型城市：北京、重庆、深圳、琼州，温度寿命梯度5 ℃，循环寿命数据已进行过试验，使用的电池单体寿命、模组寿命、整包寿命数据取2012～2013年行业水平。

以重庆地区2011年温度数据为例，无热管理情况下计算过程见表2。

表2 重庆地区计算数据

以此为基础，对4个城市的电池循环寿命进行了计算，并对比了无热管理、驻车热管理、完全热管理（行车、驻车热管理）进行了寿命对比计算，寿命见表3，从左至右依次为无热管理、驻车热管理、完全热管理。

但这2个试验方式只是汽车企业对外宣传的手段，对于实际使用的循环寿命来说只具有一定指导意义。

表3 4个城市计算数据

图8为某汽车企业的一款电动汽车产品在北美地区进行的用户实际使用情况调查。电池受热管理系统影响的寿命计算初步计划也将以车型投放市场后的实际使用工况进行。

6 结语

在世界范围内来说，电动汽车都是一项新兴技术，电动汽车的热管理领域的研究更是近乎空白，而热管理系统对于电动汽车的市场竞争力的意义却十分重大。

从本文的分析可知，在高温环境下，无电池热管理的电动汽车无法快充，无法长时间高速使用，无法频繁加减速，在低温情况下无法充电，动力经济性大幅度下降。而一个好的电池热管理系统可以大幅提升电动汽车的核心竞争力，加大适应运行环境，延长动力寿命等。

图8 用户实际使用情况调查

我们现在要做的是要在电动汽车研发之初，对车辆的运行工况、投放区域、客户需求进行预判，选择适合的电池热管理形式。并在接下来的日子里不怕困难勇于实践，提升寿命仿真精度，为整车开发提供支持！为中国电动汽车产业贡献力量！

（编辑 杨 景）

Analyses the Influence of Different Thermal Management on Battery Life

SUN-Jia， ZHANG Hong-tao， ZHANG Yu-feng
（Beijing Changan Auto R＆D Center， Changan Automobile Co.， Ltd.， Beijing 100195， China）

Through the research on domestic and foreign vehicle modes both in market and under research， combining with the practical problems found in daily work， simulation analysis and experiment validation are carried out to solve those problems. Based on test results， the article elaborates on environment adaptability of different kinds of battery thermal management and specific effects on battery life brought by different environment.

electric vehicle； Lithium battery； battery thermal management； battery cycle life

U463.632

A

1003-8639（2017）05-0005-05

2016-10-19

孙佳（1983-），男，工程师，主要从事纯电动车辆电驱动系统设计集成相关工作；张红涛（1983-），男，工程师，主要从事整车原理设计及线束设计相关工作；张宇凤（1984-），女，工程师，主要从事纯电动项目产品开发工作。