干貨 | 動力電池熱管理系統組成及設計流程

動力電池是電動汽車的能源。在充放電過程中，電池本身會產生一定的熱量，從而導致溫度升高，而溫度的升高會影響電池的許多工作特性參數，如內阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。電池的熱效應也會影響整車的性能和循環壽命，因此做好電池的性能和壽命以及整車行駛里程的熱管理非常重要。接下來，我們就從電池熱管理系統及設計流程、組件類型及選型、性能及驗證等方面與大家聊聊：01動力電池熱管理的必要性1。電池發熱由于電池阻抗的存在，在電池的充放電過程中，電流通過電池，導致電池內部發熱。此外，電池內部的電化學反應也會產生一定量的熱量。2.溫度升高對電池壽命的影響。溫度升高會影響電池的日歷壽命和循環壽命。

從上面兩張圖可以看出，溫度對電池的日歷壽命有很大影響。對于同一個電池單元，在23℃的環境溫度下，電池的剩余容量在6238天后為80%，但在55℃下，電池在272天后的剩余容量已達到80%。當溫度上升32℃時，電池的日歷壽命會下降95%以上。因此，溫度對日歷壽命有很大影響，溫度越高，日歷壽命下降越嚴重。

從上面兩張圖可以看出，溫度對電池的循環壽命也有很大的影響。對于相同的電池，當剩余容量為90%時，25℃時的輸出容量為300kWh，而35℃時的產量僅為163kWh。當溫度上升10℃時，電池的循環壽命會下降近50%。可以看出，溫度對電池的循環壽命有很大的影響。因此，為了優化電池組的性能，有必要設計一個熱管理系統，以確保每個電池單元在合理的溫度范圍內工作。熱管理系統的分類和介紹不同的熱管理系統由于零件類型不同、結構不同、重量不同、系統成本不同以及控制方法不同，具有不同的性能。主要有以下五類：

1.直接冷卻系統

直接冷卻系統具有系統緊湊、重量輕、性能好的優點。然而，該系統是一個雙蒸發器系統，沒有電池加熱，沒有冷凝水保護，制冷劑溫度控制困難，使用壽命短。2、低溫散熱器冷卻系統

低溫散熱器的冷卻系統是一個獨立的電池系統，由散熱器、水泵和加熱器組成。該冷卻系統在低溫環境下具有系統簡單、成本低、經濟節能的優點。然而，該系統也有一些缺點，如冷卻性能低、夏季水溫高以及受天氣影響應用有限。3.直接冷卻水冷卻系統

直接冷卻水冷卻系統具有系統緊湊、冷卻性能好、工業應用廣泛的優點。然而，該系統比直接冷卻有很多部件，系統復雜，燃油經濟性差，壓縮機負荷高。這種類型的冷卻系統是目前最常用的電池熱管理系統之一。4、風冷/wat……

冷卻混合冷卻系統

風冷/水冷混合冷卻系統有兩個關鍵部件：1）水冷電池冷卻器；2） 風冷式蓄電池散熱器。風冷/水冷混合冷卻系統在低溫環境下具有系統緊湊、性能好、經濟節能的優點。然而，該系統復雜、成本高、控制復雜，并且需要高可靠性。5.直接空氣冷卻系統

該系統利用駕駛艙內的低溫空氣來冷卻電池。直接空氣冷卻系統具有系統簡單、空氣溫度可控、成本低的優點。然而，該系統并不適用于所有類型的電池，浸泡后恢復緩慢，電池內部存在污染風險。03熱管理系統設計流程1。產品開發過程電池熱管理系統的開發過程應與電池組的開發過程一致。熱管理系統的設計貫穿于電池組的整個設計過程。整車開發經歷了五個階段：樣品A、樣品B、樣品C、樣品D和最終產品。電池的熱管理參與各個階段的設計、改造、試制和驗證。

0

2.熱管理開發過程要設計出性能良好的電池組熱管理系統，應采用系統的設計方法。電池熱管理系統的設計過程包括以下七個步驟：

1

設計過程中的關鍵技術1。確定電池的最佳工作溫度范圍由于氣候和車輛運行條件對電池有很大的影響，因此在設計BTMS時有必要確定電池組的最優工作溫度范圍。目前，電動汽車使用的電池主要包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。1） 研究發現，鉛酸電池的壽命隨著溫度的升高呈線性下降，但充電效率呈線性上升，充電接受度隨著電池溫度的降低而下降，尤其是在0℃以下；

模塊之間的溫度梯度降低了整個電池組的容量，因此建議保持電池組內溫度的均勻分布，并將現有鉛酸電池的溫度控制在35~40℃之間。效率和最大工作功率在-26~65℃范圍內增加。

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2） 當鎳氫電池的溫度超過50℃時，充電效率和電池壽命將大大衰減，電池在低溫下的放電容量遠小于正常溫度。下圖顯示了80Ah鎳氫電池在不同溫度下的放電效率。從圖中可以看出，當溫度高于40℃或低于0℃時，電池的放電效率顯著降低。如果僅根據此限制，該電池的工作范圍應在0~40℃之間。

3

3） 與鎳氫電池和鉛酸電池相比，鋰離子電池的能量密度更高，產生的熱量更多，因此對散熱的要求更高。鋰離子電池的最佳工作溫度在20～75℃之間。鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池熱管理的必要性取決于它們各自的發熱率、能源效率和性能的溫度敏感性。鎳氫電池（高溫>：40℃）產生的熱量最多，效率最低，容易發生熱失控事故。因此，鎳氫電池非常需要熱管理，許多用液體冷卻鎳氫電池的努力也突出了這一點。

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2.電池熱場的計算和溫度預測電池不是一個良好的熱導體，電池的表面溫度分布不能完全解釋電池的內部熱狀態。通過數學模型計算電池內部溫度場，預測電池的熱行為，是必不可少的環節。通常使用以下公式進行計算：其中：a和t為溫度；B、 ρ為平均密度；C和Cp是電池的比熱；D、 kx、ky和kz分別是電池在X、Y和Z方向上的熱導率；

E和q是每單位體積的熱量產生率。3.電池發熱率

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電池充電過程中產生的反應熱可以分為兩個階段。第一階段：在充電副反應發生之前，熱量的產生主要來自電池的化學反應、電池的極化和內阻焦耳熱。第二階段：過充電副反應后，發熱主要來自電池的化學反應熱、電池的極化熱、過充電的副反應熱和內部焦耳熱。產生的大部分熱量來自過度充電的副反應。在充電和過度充電結束時，過度充電的副作用開始出現。電池放電過程中產生的熱量主要來自化學反應熱、極化熱和內阻焦耳熱。需要指出的是，鎳氫電池放電過程中的化學反應是吸熱的，可以吸收一些熱量，因此發熱問題不是很嚴重。電池的內阻是影響電池發熱率的一個關鍵指標。它會隨著電池的SOC而變化。在獲得電池的內阻值之后，可以通過計算獲得電池的發熱量。下圖顯示了12 V ~80 Ah鎳氫電池模塊在不同SOC下的內阻值。

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專門設計的量熱計可以直接測量電池的發熱量和電池的熱容。4.電池發熱的主要因素

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5.散熱結構設計電池箱內不同電池模塊之間的溫差會加劇電池內阻和容量的不一致。如果長期積累，部分電池會被過度充電或過度放電，這將進一步影響電池的壽命和性能，并造成安全隱患。電池箱內電池模塊的溫差與電池組的排列有很大關系。一般來說，位于中間位置的電池容易積聚熱量，邊緣的電池散熱條件較好。因此，在電池組的結構布置和散熱設計中，我們應該盡最大努力確保電池組散熱的均勻性。以風冷散熱為例。一般有兩種通風模式：串聯和并聯，如下圖所示。

8

在串行通風模式下，冷空氣從左側吹進，從右側吹出。空氣在流動過程中不斷加熱，因此右側的冷卻效果比左側差，電池盒中的電池組溫度從左到右依次升高。平行通風使空氣流在電池模塊之間更均勻地分布。平行通風模式需要設計好進排氣通道和電池的布置位置。楔形的進排氣通道使不同模塊之間的壓差基本一致，保證了流經不同電池模塊的氣流的一致性，從而保證了電池組溫度場分布的一致性。6.風扇和測溫點的選擇在設計電池熱管理系統時，風扇的類型和功率、溫度傳感器的數量以及測溫點的位置應該恰到好處。以空氣冷卻為例，在設計冷卻系統時，應盡可能降低流阻、風扇噪音和功耗，以提高整個系統的效率，同時確保一定的冷卻效果。風扇的功耗可以通過實驗、理論計算和流體力學的CFD模擬來估計壓降和流速來估計（在這種情況下使用FloEFD軟件）。當流動阻力較小時，可以考慮軸流風機；

當流動阻力高時，離心式風扇更適合。當然，我們還應該考慮風扇占用的空間大小和成本。找到最佳的風扇控制策略也是熱管理系統的功能之一。動力電池是電動汽車的能源。在充放電過程中，電池本身會產生一定的熱量，從而導致溫度升高，而溫度的升高會影響電池的許多工作特性參數，如內阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。電池的熱效應也會影響整車的性能和循環壽命，因此做好電池的性能和壽命以及整車行駛里程的熱管理非常重要。接下來，我們就從電池熱管理系統及設計流程、組件類型及選型、性能及驗證等方面與大家聊聊：01動力電池熱管理的必要性1。電池發熱由于電池阻抗的存在，在電池的充放電過程中，電流通過電池，導致電池內部發熱。此外，電池內部的電化學反應也會產生一定量的熱量。2.溫度升高對電池壽命的影響。溫度升高會影響電池的日歷壽命和循環壽命。

從上面兩張圖可以看出，溫度對電池的日歷壽命有很大影響。對于同一個電池單元，在23℃的環境溫度下，電池的剩余容量在6238天后為80%，但在55℃下，電池在272天后的剩余容量已達到80%。當溫度上升32℃時，電池的日歷壽命會下降95%以上。因此，溫度對日歷壽命有很大影響，溫度越高，日歷壽命下降越嚴重。

從上面兩張圖可以看出，溫度對電池的循環壽命也有很大的影響。對于相同的電池，當剩余容量為90%時，25℃時的輸出容量為300kWh，而35℃時的產量僅為163kWh。當溫度上升10℃時，電池的循環壽命會下降近50%。可以看出，溫度對電池的循環壽命有很大的影響。因此，為了優化電池組的性能，有必要設計一個熱管理系統，以確保每個電池單元在合理的溫度范圍內工作。熱管理系統的分類和介紹不同的熱管理系統由于零件類型不同、結構不同、重量不同、系統成本不同以及控制方法不同，具有不同的性能。主要有以下五類：

1.直接冷卻系統

直接冷卻系統具有系統緊湊、重量輕、性能好的優點。然而，該系統是一個雙蒸發器系統，沒有電池加熱，沒有冷凝水保護，制冷劑溫度控制困難，使用壽命短。2、低溫散熱器冷卻系統

低溫散熱器的冷卻系統是一個獨立的電池系統，由散熱器、水泵和加熱器組成。該冷卻系統在低溫環境下具有系統簡單、成本低、經濟節能的優點。然而，該系統也有一些缺點，如冷卻性能低、夏季水溫高以及受天氣影響應用有限。3.直接冷卻水冷卻系統

直接冷卻水冷卻系統具有系統緊湊、冷卻性能好、風大等優點……

試用申請。然而，該系統比直接冷卻有很多部件，系統復雜，燃油經濟性差，壓縮機負荷高。這種類型的冷卻系統是目前最常用的電池熱管理系統之一。4、風冷/水冷混合冷卻系統

風冷/水冷混合冷卻系統有兩個關鍵部件：1）水冷電池冷卻器；2） 風冷式蓄電池散熱器。風冷/水冷混合冷卻系統在低溫環境下具有系統緊湊、性能好、經濟節能的優點。然而，該系統復雜、成本高、控制復雜，并且需要高可靠性。5.直接空氣冷卻系統

該系統利用駕駛艙內的低溫空氣來冷卻電池。直接空氣冷卻系統具有系統簡單、空氣溫度可控、成本低的優點。然而，該系統并不適用于所有類型的電池，浸泡后恢復緩慢，電池內部存在污染風險。03熱管理系統設計流程1。產品開發過程電池熱管理系統的開發過程應與電池組的開發過程一致。熱管理系統的設計貫穿于電池組的整個設計過程。整車開發經歷了五個階段：樣品A、樣品B、樣品C、樣品D和最終產品。電池的熱管理參與各個階段的設計、改造、試制和驗證。

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2.熱管理開發過程要設計出性能良好的電池組熱管理系統，應采用系統的設計方法。電池熱管理系統的設計過程包括以下七個步驟：

1

設計過程中的關鍵技術1。確定電池的最佳工作溫度范圍由于氣候和車輛運行條件對電池有很大的影響，因此在設計BTMS時有必要確定電池組的最優工作溫度范圍。目前，電動汽車使用的電池主要包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。1） 研究發現，鉛酸電池的壽命隨著溫度的升高呈線性下降，但充電效率呈線性上升，充電接受度隨著電池溫度的降低而下降，尤其是在0℃以下；

模塊之間的溫度梯度降低了整個電池組的容量，因此建議保持電池組內溫度的均勻分布，并將現有鉛酸電池的溫度控制在35~40℃之間。效率和最大工作功率在-26~65℃范圍內增加。

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2） 當鎳氫電池的溫度超過50℃時，充電效率和電池壽命將大大衰減，電池在低溫下的放電容量遠小于正常溫度。下圖顯示了80Ah鎳氫電池在不同溫度下的放電效率。從圖中可以看出，當溫度高于40℃或低于0℃時，電池的放電效率顯著降低。如果僅根據此限制，該電池的工作范圍應在0~40℃之間。

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3） 與鎳氫電池和鉛酸電池相比，鋰離子電池的能量密度更高，產生的熱量更多，因此對散熱的要求更高。鋰離子電池的最佳工作溫度在20～75℃之間。鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池熱管理的必要性取決于它們各自的發熱率、能源效率和性能的溫度敏感性。鎳氫電池（高溫>：40℃）產生的熱量最多，效率最低，容易發生熱失控事故。因此，鎳氫電池非常需要熱管理，許多用液體冷卻鎳氫電池的努力也突出了這一點。

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2.電池熱場的計算和溫度預測電池不是一個良好的熱導體，電池的表面溫度分布不能完全解釋電池的內部熱狀態。通過數學模型計算電池內部溫度場，預測電池的熱行為，是必不可少的環節。通常使用以下公式進行計算：其中：a和t為溫度；B、 ρ為平均密度；C和Cp是電池的比熱；D、 kx、ky和kz分別是電池在X、Y和Z方向上的熱導率；

E和q是每單位體積的熱量產生率。3.電池發熱率

5

電池充電過程中產生的反應熱可以分為兩個階段。第一階段：在充電副反應發生之前，熱量的產生主要來自電池的化學反應、電池的極化和內阻焦耳熱。第二階段：過充電副反應后，發熱主要來自電池的化學反應熱、電池的極化熱、過充電的副反應熱和內部焦耳熱。產生的大部分熱量來自過度充電的副反應。在充電和過度充電結束時，過度充電的副作用開始出現。電池放電過程中產生的熱量主要來自化學反應熱、極化熱和內阻焦耳熱。需要指出的是，鎳氫電池放電過程中的化學反應是吸熱的，可以吸收一些熱量，因此發熱問題不是很嚴重。電池的內阻是影響電池發熱率的一個關鍵指標。它會隨著電池的SOC而變化。在獲得電池的內阻值之后，可以通過計算獲得電池的發熱量。下圖顯示了12 V ~80 Ah鎳氫電池模塊在不同SOC下的內阻值。

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專門設計的量熱計可以直接測量電池的發熱量和電池的熱容。4.電池發熱的主要因素

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5.散熱結構設計電池箱內不同電池模塊之間的溫差會加劇電池內阻和容量的不一致。如果長期積累，部分電池會被過度充電或過度放電，這將進一步影響電池的壽命和性能，并造成安全隱患。電池箱內電池模塊的溫差與電池組的排列有很大關系。一般來說，位于中間位置的電池容易積聚熱量，邊緣的電池散熱條件較好。因此，在電池組的結構布置和散熱設計中，我們應該盡最大努力確保電池組散熱的均勻性。以風冷散熱為例。一般有兩種通風模式：串聯和并聯，如下圖所示。

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在串行通風模式下，冷空氣從左側吹進，從右側吹出。空氣在流動過程中不斷加熱，因此右側的冷卻效果比左側差，電池盒中的電池組溫度從左到右依次升高。平行通風使空氣流在電池模塊之間更均勻地分布。平行通風模式需要設計好進排氣通道和電池的布置位置。楔形的進排氣通道使不同模塊之間的壓差基本一致，保證了流經不同電池模塊的氣流的一致性，從而保證了電池組溫度場分布的一致性。6.風扇和測溫點的選擇在設計電池熱管理系統時，風扇的類型和功率、溫度傳感器的數量以及測溫點的位置應該恰到好處。以空氣冷卻為例，在設計冷卻系統時，應盡可能降低流阻、風扇噪音和功耗，以提高整個系統的效率，同時確保一定的冷卻效果。風扇的功耗可以通過實驗、理論計算和流體力學的CFD模擬來估計壓降和流速來估計（在這種情況下使用FloEFD軟件）。當流動阻力較小時，可以考慮軸流風機；

當流動阻力高時，離心式風扇更適合。當然，我們還應該考慮風扇占用的空間大小和成本。找到最佳的風扇控制策略也是熱管理系統的功能之一。8

同側風道流線圖

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不同側風管流線圖

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電池盒中電池組的溫度分布通常不均勻，因此有必要了解不同條件下電池組的熱場分布，以確定危險溫度點。大量的溫度傳感器具有溫度測量全面的優點，但會增加系統成本。考慮到溫度傳感器可能出現故障，整個系統中的溫度傳感器數量不應太少，至少兩個。根據不同的實際工程背景，可以通過有限元分析、實驗中的紅外熱成像或實時多點溫度監測來分析和測量電池組、電池模塊和電池單元的熱場分布，并且可以確定溫度測量點的數量以在不同區域中找到合適的溫度測量點。一般設計應確保溫度傳感器不被冷卻風吹走，以提高溫度測量的準確性和穩定性。在設計電池時，有必要為溫度傳感器預留空間，例如，可以在適當的位置設計適當的孔。熱管理系統性能評估仿真是電池熱管理系統最有效的評估方法之一。根據空冷和水冷項目的經驗，模擬可以完成以下任務：1）水冷系統冷卻板壓降的計算和冷卻水流量一致性的計算；2） 電池組的熱性能評估和計算；

3） 空氣冷卻系統的優化計算。1.輻射電池組熱管理案例以下是混合動力汽車的車輛熱管理，包括電池組熱管模型、乘客艙模型、發動機冷卻、暖通空調、機油冷卻系統和電機冷卻系統FLOMSTER軟件（軟件原名FLOMSTER）仿真模型，其中對電池冷卻系統進行了一系列的設計仿真工作。

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針對電池組，建立了電池單元模型和冷卻模型。考慮到電池的熱容、熱阻和熱橋，研究了電池的冷卻和加熱過程。獲得了滿足冷卻溫度要求的水流量（電池芯不超過40℃），在規定的30分鐘內將溫度提高30℃的加熱功率，以及每個電池芯在加熱過程中的溫度均勻性和磁滯性能。

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2.直接風冷電池組本案例為三菱歐藍德模型的熱管理模擬，獲得了不同氣象條件下蒸發器出口的冷空氣狀態和電池溫度以及整個測試周期。

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3.空氣/水混合冷卻電池組以下模型為空氣/水混合物冷卻電池熱管理和車輛熱管理模型，并對系統在不同季節和不同車輛條件下的熱管理進行模擬。結合控制策略，研究了不同檔位的加熱和電池加熱條件以及純加熱條件，為系統設計和控制策略優化提供了重要依據。

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最后，小編想說的是，電池的溫度直接影響電池的安全性，因此電池熱管理系統的設計和研究是電池系統設計中最關鍵的任務之一。為了確保電池的性能和安全，電池系統的熱管理設計和驗證必須嚴格按照電池熱管理的設計流程、電池的熱管理系統和組件類型進行，熱管理系統的部件選擇和熱管理系統性能評估。文章來源：海基科技

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同側風道流線圖

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不同側風管流線圖

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電池盒中電池組的溫度分布通常不均勻，因此有必要了解不同條件下電池組的熱場分布，以確定危險溫度點。大量的溫度傳感器具有溫度測量全面的優點，但會增加系統成本。考慮到溫度傳感器可能出現故障，整個系統中的溫度傳感器數量不應太少，至少兩個。根據不同的實際工程背景，可以通過有限元分析、實驗中的紅外熱成像或實時多點溫度監測來分析和測量電池組、電池模塊和電池單體的熱場分布，以及透射電鏡的數量……

可以確定溫度測量點，以便在不同區域找到合適的溫度測量點。一般設計應確保溫度傳感器不被冷卻風吹走，以提高溫度測量的準確性和穩定性。在設計電池時，有必要為溫度傳感器預留空間，例如，可以在適當的位置設計適當的孔。熱管理系統性能評估仿真是電池熱管理系統最有效的評估方法之一。根據空冷和水冷項目的經驗，模擬可以完成以下任務：1）水冷系統冷卻板壓降的計算和冷卻水流量一致性的計算；2） 電池組的熱性能評估和計算；3） 空氣冷卻系統的優化計算。1.輻射電池組熱管理案例以下是混合動力汽車的車輛熱管理，包括電池組熱管模型、乘客艙模型、發動機冷卻、暖通空調、機油冷卻系統和電機冷卻系統FLOMSTER軟件（軟件原名FLOMSTER）仿真模型，其中對電池冷卻系統進行了一系列的設計仿真工作。

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針對電池組，建立了電池單元模型和冷卻模型。考慮到電池的熱容、熱阻和熱橋，研究了電池的冷卻和加熱過程。獲得了滿足冷卻溫度要求的水流量（電池芯不超過40℃），在規定的30分鐘內將溫度提高30℃的加熱功率，以及每個電池芯在加熱過程中的溫度均勻性和磁滯性能。

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2.直接風冷電池組本案例為三菱歐藍德模型的熱管理模擬，獲得了不同氣象條件下蒸發器出口的冷空氣狀態和電池溫度以及整個測試周期。

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3.空氣/水混合冷卻電池組以下模型為空氣/水混合物冷卻電池熱管理和車輛熱管理模型，并對系統在不同季節和不同車輛條件下的熱管理進行模擬。結合控制策略，研究了不同檔位的加熱和電池加熱條件以及純加熱條件，為系統設計和控制策略優化提供了重要依據。

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最后，小編想說的是，電池的溫度直接影響電池的安全性，因此電池熱管理系統的設計和研究是電池系統設計中最關鍵的任務之一。為了確保電池的性能和安全，電池系統的熱管理設計和驗證必須嚴格按照電池熱管理的設計流程、電池的熱管理系統和組件類型進行，熱管理系統的部件選擇和熱管理系統性能評估。文章來源：海基科技

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標簽：大運發現三菱

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