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锂离子动力电池的温度特性

1、锂离子动力电池对温度的敏感性

锂离子动力电池对温度的敏感性主要源于其材料物化性质的温度敏感性。锂离子电池的最佳工作温度区间和人体舒适温度区间相似，大致在20℃-30℃。

温度会直接影响电极材料的活性和导电率、锂离子在电极上的嵌入和脱嵌、隔膜的锂离子透过性等，进而影响到电池内部的电化学反应。

温度过高会导致副反应的发生，从而导致锂离子、溶剂和电解液等消耗，性能下降。

温度过低会导致活性物质的活性明显降低，内阻、极化电压增加，充放电功率和容量均明显降低，甚至导致电池容量不可逆衰减。

2、锂离子动力电池的产热特性

研究表明，锂离子动力电池的生热速率与其工作电流呈二次曲线关系（即 Q ∝ I²），生热速率随电流的增大而急剧增大，尤其是高倍率充电时温升较大。

主要产热来源：

欧姆热（焦耳热）：由电池内阻（包括电极材料、电解液、隔膜及集流体的电阻）产生。其计算公式为Q_ohm = I²R，与电流的平方成正比，这是二次曲线关系的主导因素。

极化热：由电化学反应极化和浓差极化引起，在较高电流下显著增加，也与电流呈非线性关系。

反应热：电化学反应本身吸收或释放的热量，通常占比相对较小。

另外一方面，电池包内部温度场的均匀性非常重要。一般要求包内温差≤3℃。

包内温度场的不均匀会造成：模组、单体电芯性能的不均衡；高温区的电池老化速率明显高于低温部分，随着时间的推移，电池之间的一致性变差甚至发生提前失效，大大缩短整个动力电池系统的寿命。

主要原因：

内因（热源不均匀）：电芯不一致性导致相同电流下产热量不同；并联连接中路径阻抗的微小差异，导致电流“分流不均”，产热不同

外因（散热不均匀）：电池包中心部位散热更困难；冷却系统（如液冷板流道、导热材料）本身存在不均匀性，导致各处冷却效果不同

恶性循环：内因导致产热轻微不均，找外因下被放大，形成局部高温，导致高温区内电芯老化加速，内阻增大，进而加剧产热和电流分布不均。

3、温度对循环寿命的影响

高温是加速电池老化的最主要原因。其主要机制包括：

固体电解质界面（SEI膜）的持续生长与分解，不可逆地消耗活性锂和电解液。

正极材料的结构发生不可逆相变、过渡金属离子溶解。

电解液的氧化分解。

这些副反应在高温下呈指数级加速，导致电池容量和功率的不可逆衰减。此外，电池包内部温度分布不均匀会引发电芯间的不一致性，加速电池包整体的“木桶效应”衰减。

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热管理系统的基本功能

通过引入热管理系统对电池进行低温加热、高温散热以及保温管理，限制电池的温升以及温差，从而实现电池组温度均匀化，保证电池工作在适宜的温度范围内，降低电池性能衰减速度并消除相关的潜在安全风险。

1. 温度控制：维持最佳工作窗口

散热（高温工况）：在车辆行驶、大功率充电等产生大量焦耳热的情况下，主动（如启动液冷循环、风扇）或被动（如通过散热片、相变材料）地将热量导出，防止电池组温度过高引发热失控。

加热（低温工况）：在低温环境下，电池内阻急剧增大、性能下降。系统需快速、均匀地将电池加热至允许充放电的适宜温度（通常>0℃或>10℃），保障车辆的动力性和充电能力。

保温：在短时停车等无需工作但环境温度不适宜的场景下，减少电池与外界的热交换，以保存热量（冬季）或隔绝热量（夏季），降低温控能耗。

2. 温差管理：确保电池一致性

均衡温度场：通过优化散热/加热流道设计、导热界面材料的均匀铺设，以及智能控制不同区域的冷却液流量或加热功率，极力减小电池包内单体之间、模组之间、以及电芯内部的温差。

核心目的：减小“温度场不均匀”带来的性能不均衡和老化速率差异，是延长电池系统整体寿命的关键。

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热管理系统的设计要求

热管理系统的设计并不是简单的“制冷制热”，而是要让电池包在复杂甚至极端工况下始终处于高效、安全的状态。

热管理系统设计目标：

根据整车典型的运行工况和锂离子电池的发热功率，选择合适的热管理方式，基于电池的温度特性合理设计热管理策略，保证电池包内各个电池都工作在合理温度范围内，同时尽量维持电池包内各个电池及电池模组之间的温度均匀性。

电池热管理系统设计输入输出表

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       原文标题 : PACK产品开发与设计(15)：热管理系统总体设计