2.3.2.1 自然冷却系统
自然冷却是利用空气的自然对流换热，将电池包、模组或电池单体的热量传递到周围空气中，从而在一定程度上降低电池单体的温度。由于空气的导热系数较低，且自然对流的流动也较弱，自然冷却的散热效率一般较低。此外，当电池系统周围不存在其他热源时，温差也可以控制在较小的范围内。自然冷却系统具有成本较低、所占空间较小及电池单体间的温差较小（无外部热源时）等优点。在电池系统运行工况缓和、成本控制较高以及热管理系统放置空间有限的情况下，自然冷却是一种可考虑的散热方式。
虽然自然冷却属于利用空气自然对流的一种被动冷却方式，但仍需进行设计。设计的思路一般是先将电池单体的热量从模组内部传导到模组外部，然后再将这些热量传递到箱体外部，在此过程中以模组的热设计最为重要。下面将分别对方形模组、软包模组和圆柱模组的自然冷却设计进行探讨。
2.3.2.1.1 方形模组散热
根据方形模组的成组特点，一般在电池单体与模组金属底板之间增加可以压缩的导热硅胶，从而在电池单体与模组金属底板之间建立一条传热效率较高的导热路径，并将电池单体产生的热量传递到金属底板上，然后将热量传递到模组外部。
2.3.2.1.2 软包模组散热
软包电池单体的特点是厚度相对较小，宽度和长度比较大，因此会利用电池单体的最大外表面侧（即电池单体长度方向与宽度方向形成的面）进行散热设计。在两个软包电池单体之间安装导热的金属板，并将电池单体产生的热量传递到金属板，最终通过金属板将热量传递到模组外部。
2.3.2.1.3 圆柱模组散热
在成组过程中，圆柱电池单体的正极与负极往往会与汇流排焊接，因此可用于散热设计的只有电池单体的圆柱面。一般情况下，在成组过程中将电池单体之间的间距保持在一定的值，并采用错排的方式进一步增加电池单体之间的间距，同时将模组的塑料外框镂空。这样，电池单体产生的热量通过圆柱面传递到模组内部空气中，然后通过对流传递到模组外部。
电池单体产生的热量传递到模组外部后，热量还在箱体内部，还需要通过箱体本身传递到箱体外部。在进行箱体设计时，需要优化模组与箱体之间的热量传递效率。相对于模组散热设计来说，箱体的热设计相对来说比较简单，在此不再进行详细论述。
2.3.2.1.4 导热硅胶的使用
典型的导热硅胶片具有导热、绝缘、防振性能，材质柔软，表面自带黏性，操作方便，可应用在各种不规则零件表面与散热器、外壳等之间起导热填充作用。有些导热硅胶加有玻璃纤维（或碳纤维）以增加其机械强度。有些导热硅胶还涂覆有耐温压敏胶。
目前，部分厂商已经将导热硅胶应用于电池包热管理领域，因导热硅胶密度小，可以减轻电池包总体重量，有利于汽车轻量化。
在电池包自然冷却系统中，可以在模组或电池单体与导热金属板之间添加导热硅胶（图2.5），当电池单体运行过热时，电池单体热量通过导热界面材料传导至金属外壳，可增加热量传递的均匀性，增大换热面积，有利于快速散热，保证电池模组安全、稳定工作。
2.3.2.2 强制风冷散热系统
图2.5 导热硅胶布置
强制风冷是通过风扇将空气引入到箱体内，空气在风扇的作用下以一定的流速掠过模组或电池单体的外表面，并将电池单体产生的热量散入到环境空气中。强制风冷多见于早期的纯电动乘用车、纯电动客车以及储能系统。
强制风冷系统设计主要包括风道设计、风扇选型、冷却空气温度选择等内容。
2.3.2.2.1 风道设计
对于强制风冷系统设计来说，风道的设计是十分关键的。良好的风道设计不仅可以提高散热的均匀性，而且可以降低系统的流动阻力。
（1）通风方式
从散热界面来看，强制风冷系统的风道可以分为电池单体间隙风冷和电池单体底部风冷。图2.6a所示是电池单体间隙风冷原理图，冷风以一定速率流过电池单体间隙并将电池单体产生的热量传递到周围环境中；图2.6b所示是电池单体底部风冷原理图，电池单体产生的热量先通过导热的方式传递到电池单体底部的冷却风道上，然后通过空气的强制对流换热将热量传递到周围环境中。上述两种风道各有优缺点：对于电池单体间隙风冷来说，风道的设计过程相对来说比较简单，但系统的流动阻力往往比较大；对于电池单体底部风冷来说，风道比较规则，因此系统的流动阻力比较小，并且可以在风道中设计散热翅片以强化换热。
图2.6 强制风冷系统的风道原理图
根据空气的流动形式可以分为串行方式和并行方式，优缺点对比如表2.4所示。
串行送风方式是依次通过电池模块的流体形式，故上游的电池冷却效果较好，而冷却下游电池的空气已经被上游电池加热，势必导致前后电池模块的温度不一致。各厂家已经开发出的散热系统多采用串行送风，以丰田公司开发的强制风冷散热系统最具有代表性，并申请了有关专利。并行通风方式使得空气流量在电池模块间更均匀地分布。并行通风方式需要对进排气通道、电池布置位置进行很好的设计。丰田新Prius采用的就是并行通风结构，其楔形的进排气通道使得不同模块间缝隙上下的压力差基本保持一致，确保了吹过不同电池模块的空气流量的一致性，从而保证了电池组温度场分布的一致性。
表2.4 串行、并行方式对比
（2）进出风接口形式
电池包强制散热的风源一般来自车厢内部风或制冷空调出风，国内北方地区使用的电池包采用自然风散热，也能满足需要。车厢内部风或制冷空调出风相对洁净，清理进风接口过滤网的周期可适当延长，而利用自然风强制散热的电池包需要及时清理进风口过滤网，以免积尘较多，影响电池包散热。
根据安装位置、安装空间以及强制散热风源的不同，可将电池包的进出风接口设计成多种形式。下面主要分析了3种进出风接口形式的电池包。
如图2.7所示，电池包采用格栅进风形式，出风采用斜管式接口，可利用软管将出风排至电池舱外，避免热风内部循环。这是适用于引入自然风源散热的系统。
如图2.8所示，电池包采用4个直管进风形式，出风接口配置风扇防护网，可利用软管将进风引至电池包内，避免热风内部循环。它适用于引入车厢内部风或制冷空调出风散热的系统。
图2.7 格栅进风接口
图2.8 直管进风接口
如图2.9所示，电池包采用3个弯管进风形式，出风接口配置风扇防护网，可利用软管将进风引至电池包内，避免热风内部循环。它适用于引入车厢内部风或制冷空调出风散热的系统。
图2.9 弯管进风接口
（3）进（出）风管径计算
进（出）风管径大小直接影响进入电池包的气体流速与扩散状态，确定电池包进（出）风管径大小对于强制风冷散热系统设计具有重要作用。根据电池包所需散热量计算流道中所需风量：
Q=CmΔT （2-16）
则进入流道的总风量应为
V=Q/（ρCΔT） （2-17）
式中，ΔT为温升；C为空气比热容；V为空气体积流量。
则进（出）风口管径为
式中，v为既定入口空气流速。
2.3.2.2.2 风扇选型
为达到强制风冷散热系统的散热要求，除低温环境工况外，大多都需要风扇工作以增加风量。风扇在电池包散热系统中发挥着不可替代的作用，其设计与运行情况直接关系到整个强制风冷散热系统的散热效果。
（1）风扇类型
如图2.10所示，风扇散热方式主要有吸风式和吹风式两种，其性能对比见表2.5。
图2.10 风扇作用方式示意图
表2.5 吹风与吸风方式对比
（2）风量计算
根据电池包所需散热量计算风扇冷却所需风量：
Q=CmΔT （2-19）
则风扇总风量为
V=Q/（ρCΔT） （2-20）
式中，ΔT为温升；C为空气比热容；V为空气体积流量。
（3）风扇选型
风扇选型最重要的是所选的风扇必须能够提供足够的升力以保证系统有足够的冷却空气流量。选型时，可借助流体仿真软件对冷却风道进行流场分布的仿真，并提取出冷却风道的阻力特征曲线，然后将阻力特征曲线与风扇的压力-流量曲线进行对比，并选择合适的风扇P-Q曲线。
关于P-Q曲线：
1）P-Q曲线是指风扇的风压风量的曲线，设计系统的散热能力与该曲线有直接关系。
2）随着系统阻力的不同，风扇工作点沿着P-Q曲线移动，低阻力系统风扇风量会较大，系统散热能力强；高阻力系统风量就小，散热效果不理想。故设计时应尽量减小系统阻力，使风量达到最大。
3）通常情况下，系统设计时把风扇的工作点设计在风量的1/2～2/3处。对于高阻力系统可以设计在风量的1/3～1/2处。
例如：图2.11（见彩插）所示为某风冷系统P-Q曲线选型图，图中蓝色虚线所示为根据冷却风道流场分布仿真结果提取出的风阻特征曲线，图中彩色实线所示为某供应商提供的同一系列不同型号风扇的P-Q曲线。将风阻特征曲线与风扇P-Q曲线进行对比的结果显示：若要给冷却风道提供特定的流量，只有H和V两种型号的风扇能满足强制风冷系统对风扇升力的要求，因此可以根据其他实际因素在H和V两款风扇中选择其一。
2.3.2.2.3 冷却空气温度选择
图2.11 风扇P-Q曲线
用于冷却电池系统的空气，可以是从环境中引入的，也可以是经过热交换器冷却后引入的。这两种方式的差别很明显：第一种方式的成本和能耗较低，但散热效率也较低；第二种方式的散热效率相对来说较高，但增加了成本和能耗。就目前的风冷应用来说，第一种方式主要用于储能，第二种方式更多地用在纯电动乘用车和纯电动客车。
图2.12所示是第二种方式的工作原理：环境中的空气经过整车控制体冷却之后进入乘客舱，随后通入电池系统对电池包进行冷却，最后通过风扇将其排入环境空气。一般情况下，夏天乘客舱的温度在20～25℃范围内，引入电池系统风道的冷却风温度约为22℃，而环境空气的温度可以达到35～40℃，因此不难发现第二种方式的冷却效果明显优于第一种方式。
图2.12 第二种方式的工作原理图
2.3.2.3 液冷散热系统
液体冷却是采用导热率较高的液体来进行散热，液体一般密封在电池包内部，可以直接和电池接触，也可以在电池模组间布置冷却管道，管道里面充满冷却液。利用热交换器对冷却介质进行温度调节以达到预定温度，并使用水泵实现冷却介质与电池组间的热量交换。由于液体的导热系数较空气高，液体冷却的效果比空气冷却效果好得多，但是液冷管道的铺设、水泵的采用及冷却液的使用会增加电池包的重量，且有液体泄漏的风险。
对于电池系统设计来说，往往关注的是电池系统内部的液冷系统。本小节主要针对间接接触式液冷系统，依次从液冷系统设计目标、液冷方式选择、液冷系统设计及冷却策略设计这几个方面入手，对电池系统内部的液冷系统设计进行详细的描述。
2.3.2.3.1 设计目标
在进行液冷系统设计之前，明确系统设计的目标是十分重要的。对于一个相对完整的液冷系统，它的设计目标至少包括7部分：电池单体温度控制、电池单体间温差控制、系统压降控制、空间限制、质量限制、可靠性要求和安全性要求。接下来将对这7部分内容进行阐述。
（1）电池单体温度控制
对电池单体温度的控制，主要是从保证电池单体循环寿命要求出发的，即将电池单体的最高温度控制在特定温度之下，才能保证电池系统的循环寿命要求。一般情况下，电池系统在特定环境温度下进行特定工况时，液冷系统需要将电池单体自身的温度控制在45℃以下或者将电池单体自身的温升控制在10℃以下，从而保证电池系统的循环寿命要求。
（2）电池单体间温差控制
电池在充放电和静置等过程中的电化学反应和自放电反应速率都会受到电池温度的影响。当电池系统中的电池单体间出现温度不均衡时，电池的电化学反应和自放电反应的速率也会出现不均衡，这种不均衡会导致电池单体间的循环寿命、容量和内阻出现差异。因此，应根据寿命一致性要求和BMS控制的要求确定电池单体间允许的最大温差。一般情况下，电池系统在特定环境温度下运行特定工况时，液冷系统需要将电池单体之间的温差控制在5℃以内，从而保证电池系统的一致性要求。
（3）系统压降控制
冷却液流过液冷系统时，由于流体存在黏性，流体和管槽内壁以及流体与流体之间存在着摩擦阻力，这会消耗一部分能量。这一部分能量消耗主要表现为液冷系统冷却液进出口压力下降。为了补充这一部分压降，冷却液回路中的泵需要提供相应的升力。液冷系统的压降值需要根据泵的扬程来确定：在大多数情况下系统的压降一般控制在20～30kPa范围内；但对于采用圆柱电池单体的电池系统来说，它的液冷系统压降值一般会在60～70kPa范围内。
（4）空间限制
对于液冷系统来说，电池系统内部预留的空间是有限的，尤其是在乘用车上，因此液冷系统的空间紧凑性对于电池系统来说也相当重要。从厚度上来看，钎焊的液冷板一般为3～6mm，搅拌摩擦焊的液冷板一般为8～10mm，无料钎焊的液冷板一般为0.8～1.2mm，因此从空间紧凑性上来看，应该是无料钎焊液冷板最优，其次是钎焊液冷板，最后是搅拌摩擦焊液冷板。然而这个结论并不是普适的，它只是在某些特定的情况下才成立，即只有在液冷板采用双模组或双电池单体夹持固定的情况下才成立。当采用其他方式固定时，搅拌摩擦焊液冷板本身可以承重，不需要增加支撑结构，而钎焊液冷板和无料钎焊液冷板一般不能承重，需要增加支撑结构，在这种情况下，采用搅拌摩擦焊成型的液冷系统的空间紧凑性更优。
对于空间限制的设计目标，一般没有定量的值，通常需要根据实际的情况，在设计过程中选择合适的焊接成型工艺，同时液冷系统的设计与模组、箱体结构和高低压线束的设计进行相互配合。
（5）质量限制
在电池系统轻量化要求越来越苛刻的情况下，液冷系统的质量限制也尤为重要，甚至比空间限制更为重要。表2.6列出了某电池系统分别采用三种焊接成型方式时液冷系统的质量，不难发现搅拌摩擦焊成型的液冷系统的质量大于钎焊，质量最小的是无料钎焊。表中所列出的质量值只针对特定的电池系统，但它可以作为定性的借鉴，在液冷系统设计过程中可以结合其他设计目标选择合适的焊接成型工艺。
表2.6 三种焊接成型液冷系统质量对比
（6）可靠性要求
目前，客户对于电动汽车寿命的要求一般是8年或15万km，个别情况下要求可能会更高。基于这个背景，液冷系统也需要保证在电动汽车全寿命期，所有零部件能够正常运行。
（7）安全性要求
对于液冷系统，它的安全性要求较高。对液冷系统安全性的要求主要为泄漏风险监控、绝缘保护、阻燃要求等。
2.3.2.3.2 液冷方式选择
液体冷却方式主要分为直接液体冷却和间接液体冷却两种方式。直接液体冷却与间接液体冷却之间的区别主要为：冷却液与电池是否直接接触。
直接冷却方式是将电池直接浸于冷却液中，冷却液与电池直接接触，通常采用黏度较大且绝缘的液体，为了保证电池包的安全性，对电池包的密封性、绝缘性要求较高，结构示意如图2.13所示。
图2.13 直接接触式液体冷却结构示意图
电池包间接接触式液冷系统方案如图2.14所示。间接冷却方式是通过液冷管道将电池模组与冷却液隔开，对电池包的绝缘性要求不高，且可以采用导热系数较大、黏度小的冷却介质，可以保证液冷介质的流动速度，冷却效果好。此液冷方式一般会增加一个换热器与制冷循环耦合起来，通过制冷剂将电池包的热量带走。整个系统主要包括电子水泵、换热器、电池散热板、膨胀水箱。
图2.14 间接接触式液冷系统布置图
关于间接接触式液冷系统的实现途径方面，通常将金属管和液冷板作为液冷系统中的散热元件，两种方式的优缺点对比见表2.7。随着液冷技术的逐渐成熟和对液冷系统散热性能及均温性能的要求不断提高，动力电池系统行业逐渐采用板式液冷系统。
表2.7 液冷方式对比
2.3.2.3.3 间接接触式液冷系统设计
（1）冷却介质选择
液冷工质是液冷系统的工作介质，对于电池系统，在选择液冷工质时，需要从传热能力、黏度、使用温度范围、电绝缘性、腐蚀性、可燃性、毒性和费用等方面综合考虑。
表2.8列出了几种常见液冷工质的物理属性（25℃）。根据液冷工质电导率不同，在使用过程中，液冷工质可分为直接接触式和间接接触式。直接接触式的液冷工质可以与电池单体直接接触并将热量散入环境中，硅油和蓖麻油属于直接接触式液冷工质；间接接触式的液冷工质不能直接与电池单体接触，通常需要利用金属容器进行盛装，并利用金属容器与电池单体进行接触从而将热量散入环境中，且金属容器与电池单体之间需要添加绝缘层，水和乙二醇溶液属于间接接触式液冷工质。
表2.8 常见液冷工质物理属性（25℃）
（2）液冷板设计
1）液冷板基板材质
液冷板的材质多为铝，铝作为重要的工业加工金属，其密度小，约为铁的1/3，易于加工，可制成各种型材、板材，且耐蚀性好；导热系数约为钢的4倍。铝的分类众多，各系铝的特点如表2.9所示。
表2.9 铝的牌号与特点
动力电池系统用液冷板铝材通常选用6000系或7000系铝材，主要考虑液冷板的强度、刚度、焊接性能和密封效果，同时兼顾其散热效果。
2）液冷板尺寸设计
液冷板是间接接触式液冷系统的重要部件，一般安装于电池包底部，通过与电池单体的大面积接触吸收电池单体产生的热量，液冷板吸收的热量再通过液冷板流道内的冷却液将热量带走。因此，在进行液冷板尺寸设计时，可根据需要带走的电池包热量进行相关计算。
在实际设计时，液冷板的长宽尺寸通常根据电池包底板尺寸进行设计，为方便液冷板布置，可选择在液冷板与电池包侧壁面预留20mm间距，确定液冷板长宽尺寸后，即可确定液冷板与电池单体或模组的接触面积，之后便可根据以下公式计算出液冷板的体积V，继而得到液冷板厚度。
据热量计算公式可计算出液冷板的温升情况：
Q=kAΔT （2-21）式中，Q为电池包需要耗散的热功率；A为液冷板与电池单体的接触面积；ΔT为液冷板温升值，即为本次计算的求解目标；k为液冷板换热系数。
计算出液冷板的温升ΔT后，根据换热公式即可计算液冷板的质量：
Q=cmΔT （2-22）式中，Q为电池包需要耗散的热功率；c为液冷板材质的比热容；ΔT为已经算出的液冷板温升；m为液冷板质量，即为本次求解目标，据V=m/ρ即可计算出液冷板体积。
为了保证并联回路内部冷却的均匀性，需要对液冷板与冷却液接触的面积进行设计。有关冷却面积S的计算式为：
式中，ρM为液冷板作业区域所有零部件的平均密度；VM为液冷板作业区域所有零部件的总体积；cPM为液冷板作业区域所有零部件的平均比热容；ΔTM为液冷板作业区电池单体的最大温升；PM为液冷板作业区所有电池单体的发热功率；h为冷却液的对流换热系数；S为冷却面积；TW为液冷板与冷却液接触面的温度；Tref为近似为冷却液入口温度。
上式中，h、TW和S是未知变量，其中S为待求的设计参数。对于确定的流动情况，对流换热系数h是基本确定的，h可通过下式进行近似计算：
式中，λ为冷却液的导热系数；d为流道的当量直径；Ref为雷诺数；Prf为普朗特数。
TW可根据发热功率PM和导热路径的情况进行计算。在确定h和TW后，即可计算出冷却面积。
3）液冷板流道尺寸设计
液冷板内部流道内径合理设计是难点也是关键点，必须考虑以下因素：
①考虑对冷板均温性的要求设计流道串并联结构和尺寸，串联考虑温升、流阻等，并联考虑分流均匀、温升。
②考虑对冷板流阻的限制，简单流道手工计算结果更准。
③不同流道形式制造成本差异大，一定要考虑。
④机械强度。
⑤加工工艺。
⑥制造成本。
液冷板内部流道中的液体流速保持在2～2.5m/s最佳，流速过高则流阻过大，流速过低则会浪费管道材料。
假设液冷板吸收的热量全部通过流道中的冷却液耗散掉，则冷却液流量为：
Q=cmΔT1 （2-25）式中，Q为电池包需要耗散的热功率；c为冷却液比热容；ΔT1为液冷板进出口温差，一般由客户指定。(www.xing528.com)
可根据冷却液流速来确定流道尺寸：
式中，Qv为冷却液流量；v为冷却液流速；d为流道直径。
确定冷却液流道后，可根据冷却液温度的相关计算验证流道尺寸是否合理。冷却液出口温度为：
式中，Tout为冷却液体出口温度；Tin为冷却液体进口温度；Q为冷板上发热器件的总热耗散功率；ρ为液体的密度；V为单位时间冷却液体流量；cp为冷却液体的比热容。
以冷却液出口温度理论最大值Tmax为界限，若计算出的冷却液出口最高温度Tout大于Tmax，则流道设计不合理，需做进一步修改；若Tout小于Tmax，则说明流道设计合理。
4）液冷板串并联方式选择
液冷板中的冷却液通过外部管路流通，各液冷板的冷却液管路连接方式分为并联和串联两种方式，其优缺点对比如表2.10所示。其中，液冷板串联系统中因单根管道中的流量较大，较高的液流速度会增大沿程阻力，导致串联管路的压降损失较大，同时，串联管路的进出口侧冷却液温度差距较大，易导致进出口两侧的散热不均。而液冷板并联系统中，单根管道中的压降损失较小，同时各个并联回路中的液流温差减小，有利于散热均匀性的提升；但液冷板并联系统对流量分配均匀性要求较高，当分液不均时反而会加剧散热不均现象。
表2.10 液冷板串并联对比
5）液冷板成型方式
目前应用较多的液冷板成型方式为埋管方式与微通道+摩擦焊焊接方式：
①埋管方式
如图2.15所示的埋管方式为浅埋管，此方式将铜管压扁后与铝板同时铣面，充分利用了铜的高导热率特点，同时板件采用铝材料，有利于在实现轻量化设计目标的同时降低成本，适用于单面安装器件。
图2.15 浅埋管
如图2.16所示为深埋管方式，其填料为高导热环氧树脂，适用于双面器件温差要求不高的情况，因铜管厚度没有进行二次加工，且有填料保护可提供应用的安全性，特别适合冷媒为介质的冷板使用。
图2.16 深埋管
如图2.17所示为焊管工艺，适合加工铜板配合铜管的结构形式，此方法可降低板材厚度，有利于冷板减重。
图2.17 焊管工艺
如图2.18所示为双面夹管工艺，此方式适用于两面安装器件的加工，工艺较为简单、可降低生产成本。其中，铝板可选择性结合铝管、铜管或不锈钢管。
图2.18 双面夹管工艺
②微通道+摩擦焊焊接
如图2.19所示为型材+焊接工艺，此工艺利用挤压工艺将冷板流道直接成型，再通过机加工方式打通循环，通常采用摩擦焊接工艺进行密封，此工艺生产效率高，成本低。但此方法不适用于散热密度过大情况，表面不适合有太多螺栓孔，水道走向受限。此工艺主要应用于动力电池散热、加热装置、标准功率模块一体化散热产品中。
图2.19 型材+焊接工艺
如图2.20所示为机加工+焊接工艺，其内部流道尺寸、路径均可自由设计，适合功率密度较大、热源布局不规则、空间受限的热管理产品，主要应用于风电变流器、电机控制器、激光器与超算服务器等领域。
如图2.21所示为压铸+焊接工艺。内压铸工艺是非常成熟且应用广泛的成型方式，随着新能源车的发展，内压铸工艺已成为电机控制器散热箱批量生产的首选方式，但可能存在压铸杂质、气孔等问题，通常采用密封圈密封，产品不良率较高。
图2.20 机加工+焊接工艺
图2.21 压铸+焊接工艺
6）液冷板焊接方式
目前在电池包液冷系统中较为常见的焊接方式有钎焊、搅拌摩擦焊与无料钎焊等方式，几种方式的特点对比如表2.11所示。
表2.11 焊接方式对比
（3）循环系统设计
1）水泵选型
①冷却液循环量确定
冷却液循环量为所对应的冷却系统中的冷却液流量，冷却液的循环量Vw（m3/s）可根据散入冷却系统中的热量算出：
式中，Δtw为冷却液在电池包中循环时的容许温升；Yw为冷却液的密度；Cw为冷却液的比热。
②水泵扬程确定
单位重量液体通过泵后获得的能量俗称为扬程，用H表示，其单位为米液注，简称米（m）。对于高压泵，可近似地用泵的出口和入口的压力差（p2-p1）表示扬程的大小，此时扬程的计算式为：
式中，p2为泵的出口压力；p1为泵的入口压力；γ为泵输送液体的重度，γ=ρg。
③水泵功率
离心泵的功率是指离心泵的轴功率，即原动机传给泵的功率，用N表示，单位为kW或hp。泵的重量流量和扬程的乘积称为泵的有效功率，以Ne表示，单位为kg·m/s，其表达式为：
Ne=GH=γQH （2-30）
有效功率的单位以kW表示时，上式应改写为：
离心泵的轴功率N与有效功率Ne之差是在泵内损失的功率，其大小可用效率来衡量。离心泵的效率即为有效功率Ne与轴功率N之比，用η表示，即：
知道泵的有效功率和效率后，可求出泵的轴功率：
最后根据冷却液循环量、扬程、功率的计算值，查阅水泵选型表即可对水泵选型。
2）散热器选型
①冷却空气需要量
计算冷却空气需要量Va（m3/s），一般可根据散热器的散热量确定（散热器的散热量等于冷却系的散热量Qw）：
式中，Δta为空气进入散热器前与通过散热器后的温度差；Ya为空气的密度，Cp为空气定压比热。
②散热器正面积
迎面风对风扇的风量起了增强作用，迎面风增大了风扇进出风口的风压，风扇的效率增加，同时，如果车速很高，迎面风风速很高，风扇的作用就小了，甚至不用开风扇，迎面风即可满足散热要求。将散热器安装在整车前部，正对进风口，散热器正面积为：
FR=Va/ua （2-35）
式中，ua为散热器正面空气流速，轿车的ua=10～15m/s。
根据散热器换热面积查阅散热器选型表进行选型。
（4）机械结构设计
对于液冷系统设计来说，机械结构设计是实现液冷系统连接与固定的重要方式。接下来将从液冷板安装、管路连接和管路固定这三个方面来介绍液冷系统的机械结构设计。
1）液冷板安装
在液冷系统设计中，需要对冷却界面（即液冷板与模组或电池单体的接触面）的接触热阻进行控制。一般来说，控制的方法有很多种，但所有的方法都有一个共同点，即在液冷板与电池单体之间施加一个合适的预紧力，从而保证二者接触良好。因此，液冷板安装的关键就是如何提供合适的预紧力。
对于具备承重能力的液冷板来说，提供这个预紧力比较简单，常用的做法是将模组直接安装在液冷板上，通过模组的重量和螺栓预紧来提供这样的一个预紧力。
对于不具备承重能力的液冷板来说，一般不能通过模组重量和螺栓预紧这种方式提供预紧力。对于这种类型的液冷板，常见的安装方式有两种：第一种是夹持安装，包括双模组夹持和双电池单体夹持两种安装方式；第二种是弹性支撑结构。
双模组夹持安装的液冷板安装方式是将两个模组相对平放，然后将液冷板夹持在两个模组的底面之间；双电池单体夹持安装方式是将液冷板夹持在两个电池单体（方形电池单体和软包电池单体）的大面之间。总体来说，夹持安装方式使液冷板的两个表面均得以利用从而提高了液冷板的利用效率，并且没有增加额外的支撑结构件，在某些情况下是一种较为可取的安装方式。
当模组立放于电池箱内时，液冷板贴在模组底面，由于Z向振动和冲击的存在，液冷板的支撑结构必须具备弹性，进而缓冲Z向的振动和冲击。
2）管路连接
整个液冷系统是由液冷板之间的串并联组合而成的，通过管路连接来实现的。管路连接主要包括三部分内容：管、连接和密封。
液冷系统中常用的管有硬管和软管两种。硬管是通过铝型材挤出，并通过模具折弯成型。一般情况下，铝管的厚度大于1mm，冷却液在铝管处泄漏的风险不大。但铝管的使用还是要注意两个风险点：第一点是腐蚀，一般的冷却液都是乙二醇溶液，它对铝管内壁具有一定腐蚀性，长期使用会有一定的风险；第二点是铝管折弯并不是没有限制，一般这个折弯半径需要根据铝型材的延展率和铝管的外径确定。软管一般有两种：一种是橡胶管，通常采用三元乙丙橡胶；另一种是尼龙管。软管在使用过程中要特别注意两个风险点：第一点是软管本身的老化，这一点需要通过老化实验进行验证；第二点是软管连接的可靠性，这一点同样需要通过实验进行验证。在管道设计时，要满足以下三点要求：所计算出的管径应符合工程设计规定；满足介质在管道输送时，对流速的安全规定；满足噪声控制的要求。
连接主要包括硬管、软管和液冷板之间的连接、分流和汇流。液冷系统中常见的连接主要有如下几种：第一种是软管与硬管的连接，一般情况下，三元乙丙橡胶软管与硬管连接时用卡箍或者快插接头加卡箍，尼龙软管与硬管连接时用胀接或快插接头加胀接；第二种是软管与液冷板的连接，一般情况下，三元乙丙橡胶软管与液冷板连接时用卡箍或者快速接头加卡箍，尼龙软管与液冷板连接时用快速接头加胀接；第三种是分流或者汇流时的连接，分流和汇流一般是采用三通来实现，三通和软管的连接一般为卡箍或者胀接。需要特别注意的是，连接是液冷系统泄漏最主要的风险点，因此连接的安全可靠性是至关重要的，需要经过验证才可以使用。
液冷系统穿出电池箱体与外部液冷系统连接时，需要保证箱体的密封性能，一般会采用法兰进行连接。
3）管路固定
液冷系统的硬管和软管需要固定在电池箱体上。常见的固定方式有焊接式和卡紧式两种：焊接式的固定方式先在硬管上焊接铝块，然后铝块通过螺栓锁紧在箱体上，这种方式只能固定金属硬管；卡紧式的固定方式是将硬管或软管卡紧在金属卡圈中，然后将金属卡圈通过螺栓锁在箱体上。
2.3.2.3.4 冷却策略设计
在实际的运行过程中，出于节省能耗的考虑，外部冷却系统的空调和电子泵并不是常开的，它们的开启和关闭一般是根据电池单体的实际温度来确定的：当电池单体温度高于一定温度时，为了将电池单体的温度控制在设计目标之内，需要开启空调和电子泵；当电池单体的温度低于一定温度时，此时电池单体的温度一般会是下行趋势，出于节省能耗的考虑，会关闭空调和电子泵。
由于热惯性的存在，一般情况下空调和电子泵开启时电池单体的温度低于液冷系统的设计目标，而空调和电子泵关闭时电池单体的温度低于空调和电子泵开启时电池单体的温度。当电池单体温度高于什么温度时开启空调和电子泵以及低于什么温度时关闭空调和电子泵，即为液冷系统的冷却策略。冷却策略的设计一般是先通过仿真分析来确定，然后通过实验进行验证。
冷却策略的设计流程为：首先将初步设计的冷却策略输入到CFD仿真模型中，经过数值计算可获得整个热场和流场随时间变化的曲线；接着从仿真结果中提取出电池的最大温升、电池间的最大温差和能耗等数据，并将这些数据与设计目标进行比较，如果满足设计目标，则进行测试验证；如果不满足，则需要根据仿真结果调整冷却策略，然后将新的冷却策略输入到CFD模型中，直至测试验证满足设计要求。
对于动力电池系统，存在电池最佳工作温度范围。对于被动冷却的初始温度，根据文献[14]、[15]，在电池温度允许的范围内，电池温度与环境温度之间存在温差，可以提高电池冷却效率，降低冷却系统功耗。因此，电池温度处在合适温度阶段低温区域，可以不对其进行热交换，设定较高的被动冷却温度，提高冷却效率。主动冷却开始温度为电池合适温度上限，而对于其结束的温度，根据文献[15]论证，将其温度冷却到合适温度上限以下时，可以减少制冷系统的功率消耗。电池温度区域划分以及电池主、被动冷却温度选择如图2.22（见彩插）所示。
电池热管理控制策略的制定需要综合考虑电池温度、电池温度与环境温度的温差、冷却液流速、冷却液温度、环境温度以及系统的制冷量。
2.3.2.4 相变冷却系统
2.3.2.4.1 相变冷却机理
相变是指物质的聚集状态发生了变化，相变过程是伴随着大量的能量变化的过程。通常相变过程是等温等压的，由于不同相变材料的熔点不同，所以相变过程在一定的温度范围内发生。发生相变过程前后的焓差即为相变过程储存或释放的能量。影响相变传热的主要因素有相变过程中的自然对流和相变材料发生相变前后的焓差。
图2.22 电池温度区域划分
电池组放电时产生的热量由PCM吸收从而使电池温度降低，同时热量以相变热的形式存储在PCM中，并配合二次散热措施，可有效地控制电池温度的急剧上升，缩短了电池处于高温时间，有效地防止电池热失控，提高电池模组的使用寿命。其工作原理如图2.23所示。2.3.2.4.2 相变材料选择
（1）相变材料分类
图2.23 相变冷却工作原理
相变材料的分类有多种方法，按材料的化学组成可分为无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料以及金属合金相变材料四类。按相变材料相态的变化方式可分为固-液相变、固-固相变、液-气相变和固-气相变四类。按照相变温度范围可分为高、中、低温储能材料。其中固-气相变和液-气相变这两种相变的潜热很高，但是由于其相变相貌程度大，在相变过程中产生体积比较大的气体，对于相变体系的封装、相变过程的控制，以及设备的耐压等安全系数要求很高，因此实际中很少被利用。而在固-液相变与固-固相变中，固-液相变过程中的相变潜热往往比较大，储热密度高，固-液相变的过程包括共烙、转烙和溶解，但是固-液相变由固相转变为液相会发生体积溶胀，有较大的体积变化，增加了封装材料的难度。而固-固相变虽然没有固-液相变的潜热大，但是固-固相变相对稳定，相变过程易控制，对实际操作和设备的要求大大降低。从既满足实际潜热需要又能够简便安全地投入使用的角度来考虑，固-固相变材料在未来的发展前景非常广阔。相变材料的具体分类如图2.24所示。
图2.24 相变材料的分类
目前，电池包相变散热系统中常用的有机相变材料有石蜡、水合盐、脂肪酸等，其相变性能对比如表2.12所示。
表2.12 相变材料对比
复合相变材料也是相变冷却中的重要选择。石蜡的相变温度合适，相变潜热大，价廉耐用，是最为适宜的相变材料，但其导热系数较低，直接影响了石蜡在动力电池热管理中的应用效果，在努力提升石蜡导热能力的同时，复合相变材料能够更好地满足电池包散热要求。不同石墨含量复合相变材料的储（放）热性能曲线如图2.25所示。由图可知，石墨含量（质量分数）的增加能够缩短复合相变材料的储（放）热时间。
复合相变材料的相变温度对电池的温升曲线如图2.26所示，当相变材料完全熔化时，电池最终时刻的温升不会因相变材料相变温度不同而改变，只是影响熔化过程中电池表面的温度，在相变材料熔化过程中电池表面的温度基本处于相变温度附近。
图2.25 不同石墨含量复合相变材料储（放）热性能曲线
（2）相变材料选择依据
在相变材料的物理性能方面，应主要考虑以下几点：
1）相变温度合理适当。相变温度要与储能蓄热领域和温度控制、强化传热领域相匹配，否则相变材料的应用将变得毫无意义。
2）相变潜热高。相变潜热越高，相同质量的相变介质的熔化和凝固将会吸收和放出更多的热量，进而降低结构的复杂程度，降低成本等。
图2.26 不同相变温度电池包的温升曲线
3）高密度。相同的容器体积可以容纳更多相变材料。
4）高比热。同质量情况下储存更多的相变潜热。
5）高导热系数。蓄热和放热的过程中产生较小的温度梯度，使整个温度场的温度分布更均匀，同时减少不可逆热损失。
6）熔化一致。相变材料应具备熔化安全性能，两相的化学成分必须相同，否则会引起相变材料化学组分的丢失和变质等。
7）体积变化率小。
在相变材料的动力性性能方面，相变材料应满足以下几点：
1）凝固没有过冷度。
2）相平衡性质优越，相不分离。
3）固化结晶速率高。
在化学性能方面，相变材料的选取应满足：
1）化学性质稳定，有较长的寿命周期，不容易变质。
2）好的相容性，不容易腐蚀容器材料。
3）无毒无害，无污染。
在相变材料的经济性能方面，应着重考虑相变材料是否满足：
1）来源广泛，容易得到。
2）价格便宜。
2.3.2.4.3 直冷系统
直冷系统即制冷剂直接冷却系统，它利用的是制冷工质的相变制冷原理，图2.27所示为直冷系统构件图，它主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置组成。一般来说直冷系统的散热效率是液冷系统的3～4倍，它更能应对更大倍率的快充问题。但目前直冷系统并未形成广泛的应用，只是处于研发和技术储备阶段，真正装车应用的也只有宝马i3，国内如CATL和复旦大学等已经完成了对直冷系统的技术储备。不难想象，直冷系统可能是继液冷系统之后又一个关键技术。
图2.27 直冷系统原理图
从本质上说，直冷系统与液冷系统是相似的，都是通过工质在系统中循环将电池系统的热量散入环境中，最主要的区别在于冷却工质的性质，液冷系统的冷却工质不发生相变，而直冷系统相变吸收大量热量，因此从散热效率的角度看，直冷系统的散热效率远远高于液冷系统。
Chiller（电池换热器）是纯电动或混动汽车电池冷却的一个关键部件，它的作用在于引入空调系统中的制冷剂，在膨胀阀节流后蒸发，吸收电池冷却回路中冷却液的热量，此过程制冷剂通过热交换将冷却液的热量带走，起到给电池降温的作用，如图2.28所示。
图2.28 Chiller冷却原理
如图2.29所示，换热器的主体是由许多板式换热片堆叠起来的，冷却液和制冷剂以对流的形式流入换热器主体。在换热器主体中，冷却液和制冷剂隔层间隔开，互相形成三明治结构。对流过程中热量从冷却液转移到制冷剂上，以实现换热。Chiller的功率大小、水泵的功率大小、冷却液流速、制冷剂流速等都会直接影响到电池冷却的效率。
图2.29 换热器主体结构
国内外各厂家Chiller的基本结构都大同小异，如图2.30所示，分别由两个冷却液进出管，两个进出管，一个换热器主体和一个外部蒸发器组成。
图2.30 Chiller的基本结构
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