汽車動力電池組的電池管理系統與溫度控制技術

中圖分類號：U463.633 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0038-03

【Abstract】Battery packs，the core component of electric vehicles，generate alarge amount of heat during the working proces，andexcessivehighorlowtemperatures willseriouslyaffecttheservice lifeofthebateries，theusablepowerand safety，and even causesafetyaccidents.Thebattery management systemisresponsible for monitoring andmanaging the battery status，whiletemperaturecontrol technologyisresponsiblefor monitoring thebatery temperature，bothof which worktogether toensure thesafeandeficient operationof thebatterypack．Therefore，thispaperwill explorethe synergistic working mechanismbetween thebatery managementsystemand temperaturecontrol technologytoprovide ideas for improving the effect of electric vehicle power battery system in practical application.

【Keywords】 automotive battery pack； battery management； temperaturecontrol

0 引言

動力電池作為電動汽車動力系統的主要部件，在充放電過程中不可避免地產生熱量。如果熱量得不到有效散發，將導致電池溫度升高，不僅會加速電池老化，縮短其使用壽命、降低實際可用里程，而且溫度過高或電池內部溫度不均都會增加安全隱患。本文通過對電池管理系統及溫控技術進行優化討論，以提高動力電池的綜合性能及安全性。

1.1電池管理系統的功能與作用

電池管理系統BMS作為動力電池的核心控制單元，對保證動力電池的安全性、優化其性能具有重要作用，其功能組成如圖1所示。該系統通過對電池組各單體的電壓、電流和溫度等進行連續監測，實現對電池運行狀態的全方位感知與監測，為后續的控制決策提供參考。從安全保護的角度看，BMS建立了多層次的保護機制，在出現過電壓、低電壓、過電流或溫度超限的情況下，可即時啟動保護措施。比如，當電壓

1汽車動力電池組的電池管理系統原理

圖1BMS功能組成

超出安全限值時，系統會自動關閉充電和放電電路，從根本上杜絕電池熱失控的發生。這種主動保護功能是防止電池發生火災和爆炸的重要技術壁壘。同時，BMS采用主動均衡或被動均衡技術，對電量高的電池進行放電，對電量低的電池進行補充，使得各單體電池均處于相近的SOC狀態。這個過程提高了電池的可用能力，減緩了由于不平衡而造成的電池使用壽命的衰退[1]。

1.2 電池狀態監測與數據采集技術

高精度的數據采集技術直接關系到蓄電池狀態監測的可靠性。在硬件方面，需要配置專用的傳感網絡：電壓采集模塊與每個電池單元通過精密分壓電路相連，從而實現毫伏精度的電壓測量；電流監控通常使用霍爾傳感器或者分流器，動態范圍覆蓋毫安級備用電流到千安級工作電流；通過在電池殼、極柱等關鍵部位設置熱電偶或熱敏電阻網絡，實現對溫度場的精確感知。在強電磁干擾環境下，數據采集需具備信號保真的特點，在此基礎上，利用狀態估計算法對采集到的電池數據進行處理，并將其轉換成蓄電池的運行信息。目前常用的荷電狀態估計方法有安時積分與開路電壓兩種方法，前者追蹤實時電流積累，后者采用靜置期電壓校準修正累積誤差。這些算法在嵌入式系統中以固定周期迭代運行，形成動態更新的電池狀態數據庫，為系統級控制策略提供底層支撐[2]。

2電池溫度控制技術在動力電池組中的應用

2.1溫度對動力電池性能的影響

溫度環境直接決定動力電池的核心性能指標。在低溫條件下，電池內部電解液粘度增大，鋰離子遷移速率降低，導致電池內阻上升；高溫環境下電池正極材料晶體結構穩定性下降，電解液分解反應加劇。溫度不均勻會導致單體電池內阻擴大和老化速率不同步。具體見表1。

表1溫度對動力電池性能的影響機制

溫度波動通過加劇材料退化和反應失衡，同步削弱電池性能、壽命與安全防線。解決路徑需建立覆蓋全溫域、全壽命周期的協同控溫體系，從根源抑制熱失控誘因，保障電池系統的高安全與長壽命運行[3]。

2.2 溫控技術的分類與工作原理

根據熱管理介質差異，主流溫控技術可分為氣冷、液冷與相變三大類型。

氣冷系統利用空氣作為換熱介質。通過設計電池包內部風道結構，引導氣流流經電池表面帶走熱量，其結構簡單且成本低，但換熱效率有限，多用于發熱量較小的插電混動車型，如寶馬i3采用底部風道設計，通過離心風機驅動空氣定向流動。

液冷系統通過循環導熱液體實現高效熱交換。冷卻液流經嵌入電池模塊的金屬管路或冷板結構，直接吸收電池產生的熱量。如特斯拉車型采用乙二醇水溶液配合并聯流道設計，確保每個電池模組溫度差異控制在 ±2% 內。

相變材料PCM技術利用材料物態變化過程吸收熱量。當電池溫度升高時，固液相變材料熔化吸收大量潛熱；溫度降低時，材料凝固釋放熱量。這種被動式控溫無需外部能源驅動，特別適用于抑制電池快充時的瞬時升溫。三類技術正逐步融合，如比亞迪刀片電池采用液冷板與導熱膠復合設計，形成分級熱管理架構。

2.3 溫控系統的設計與集成

溫控系統設計需統籌考慮熱管理需求與工程約束。在結構布局層面，氣冷系統需優化風道截面形狀與導流板角度，減少氣流死區；液冷系統需平衡流道分布密度與壓力損耗，避免遠端模組出現冷卻不足的問題。例如圓柱電池包通常采用蛇形冷卻管路環繞電芯，而方形電池多采用夾心式冷板設計。控制系統采用分級決策機制。底層溫度傳感器網絡實時監測關鍵點位溫度，當檢測到局部過熱時，控制器調節水泵轉速或風扇功率實現快速降溫。在整車層面，系統接收電池管理狀態數據，預判即將到來的大功率充放電工況，提前啟動冷卻設備，使電池初始溫度調控至最佳充電區間。而系統集成需解決空間矛盾，傳統液冷管路占用電池包 12%～15% 的空間容積，新型微通道冷板技術將厚度壓縮至 3mm 以下，提升了體積利用率4。

3電池管理系統與溫控技術的集成與優化

3.1電池管理系統與溫控系統的協同工作

電池管理系統BMS與溫控系統的功能耦合構成動力電池安全運行的保障，具體如圖2所示。協同機制始于狀態感知層：BMS提供的單體電壓、內阻數據與溫控系統的溫度場分布圖相融合，共同構建電池三維工況模型。在安全防護層面，雙系統建立雙向互鎖邏輯。溫控系統監測到冷卻液流量異常或散熱器失效時，立即向BMS發送故障代碼，觸發電池降功率運行；反之，當BMS診斷出單體電壓驟降（可能預示內部短路），將命令溫控系統啟動最大制冷功率進行應急降溫。能量優化協同體現在全局熱管理策略。BMS根據電池健康狀態SOH動態調整溫控目標，老化電池組采用更嚴格的溫度上限控制以延緩衰減，而新電池組則允許在高效區間適度放寬溫控范圍。冬季低溫啟動時，系統優先調用電池熱量為駕駛艙供暖，再將余熱用于加熱電池包，實現能耗閉環利用。雙系統通過實時數據交換與策略互饋，達成安全與能效的最優平衡。

圖2電池管理系統與溫控系統的協同構架圖

3.2系統集成的技術方案

系統集成面臨空間約束與信號干擾的雙重挑戰。為解決空間約束的問題，通常采用3D-MCM多芯片模組技術實現硬件集成。將BMS主控MCU、溫控驅動IC、功率MOSFET垂直堆疊于陶瓷基板，通過硅通孔（ThroughSiliconVia，TSV）實現層間互連。散熱方案采用直接液體接觸冷卻（DirectLiquidCooling，DLC），驅動芯片背面鍍金層與冷板間填充液態金屬導熱劑，熱阻降至 0.05^qC/W 以下。該結構使控制模塊體積縮小 40% ，同時支持 200W/cm² 的熱流密度消散。針對信號干擾，可實施時空雙隔離機制：空間隔離，電池包內劃分EMC三區（功率區/控制區/采樣區），區間采用鈹銅簧片電磁密封，采樣線路使用光纖-FBG（光纖光柵）傳感網絡，將溫度電壓信號轉換為光波長調制傳輸；時間隔離，在溫控功率器件關斷的 200μs 時間窗內，BMS同步觸發高精度ADC采樣。同步信號由抗輻射加固型FPGA產生，時鐘抖動小于1ns。這種系統集成可使溫度調控指令延時縮短，提升溫控系統動態響應能力]。

3.3集成系統的性能優化與可靠性提升

在系統集成基礎上，通過動態優化算法與冗余設計實現性能與可靠性的協同提升，主要在于建立量化評估模型，使溫控系統精確匹配電池動態需求，并構建多層次故障容錯機制。動態性能優化可基于模型預測控制（ModelPredictiveControl，MPC）框架實現能耗與溫度的平衡調控，利用目標函數：

J=α?ΔT²+β?P_cool

式中： ΔT # -電池實際溫度與目標值的偏差， C P_cool 溫控系統實時功耗， kW ∝.β ——安全與能效的權重系數（自適應調整）。系統每5s滾動求解該函數，結合行車情況（如加速/充電）預判未來溫度變化，將電池溫度波動控制在 ±39C 安全區間。可靠性強化設計可采用三級縱深防護架構。軟件層，BMS實時診斷溫度傳感器失效（如數據跳變 gt;10%/s ；硬件層，獨立比較器電路監控關鍵點位，觸發速度比軟件快100倍；機械層，部署形狀記憶合金熔斷器（SMA-Fuse），90% 自動切斷電路。三重防護可降低單點故障導致系統失效的概率。

4結論

本文明確了電池管理系統與溫度控制協同工作的機制，揭示了集成設計對提升電動汽車電池安全性、能效及壽命的關鍵作用。因此，后續研究應加強跨系統協同能力：推動電池溫控系統與車輛熱管理、充電設施的聯動控制；并深化隱性故障預測技術，建立更精準的電池健康衰退模型。最終實現動力電池在全生命周期內的安全穩定運行，為電動汽車長續航提供技術支撐。

參考文獻

[1]陳虎.新能源汽車電池管理系統的優化設計與技術實現[J].時代汽車，2025（10）：95-97.

[2]賈曉峰，劉曉杰.電動汽車電池管理系統主動均衡策略優化[J].中國汽車（中英文對照），2025，35（2）：119-123.

[3]劉杰.電動汽車電池熱管理系統研究[J].汽車測試報告，2024（21） ：44-46.

[4]徐文文，王彬.新能源汽車電池熱管理控制系統設計及實現分析[J].時代汽車，2024（12）：122-124.

[5]楊建銀.新能源汽車電池管理系統控制策略研究[J].汽車測試報告，2023（19）：4-6.

（編輯楊凱麟）