鉅大LARGE | 點擊量：1024次 | 2021年08月17日
什么是動力鋰離子電池熱管理系統的設計流程
1、產品開發流程
電池熱管理系統的開發流程應與電池組開發流程保持一致。熱管理系統的設計貫穿于整個電池組的設計過程中，在整車開發經過A樣件、b樣件、C樣件、D樣件以及最后的產品5個階段，電池熱管理參與每個階段的設計、更改、試制以及驗證。
2、熱管理開發流程
設計性能良好的電池包熱管理系統，要采用系統化的設計辦法。電池包熱管理系統設計的過程包括如下7個步驟：
設計過程中的關鍵技術
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1、確定電池工作最優工作溫度范圍
由于氣候和車輛運行條件對電池影響很大，所以設計bTMS時要確定電池包最優的工作溫度范圍。目前電動汽車用電池緊要有鉛酸蓄電池、氫鎳電池和鋰離子電池。
1)鉛酸蓄電池
經研究發現，鉛酸蓄電池的壽命隨溫度新增線性減少，充電效率卻線性新增，隨著電池溫度的降低充電接受能力下降，特別是0℃以下;模塊間的溫度梯度減少了整個電池包的容量，推薦保持電池包內溫度的平均分布和控制現有鉛酸蓄電池溫度在35～40℃之間。效率和最大運行功率在-26～65℃范圍內新增。
2)氫鎳電池
當溫度超過50℃時，電池充電效率和電池壽命都會大大衰減，在低溫狀態下，電池的放電能力也比正常溫度小得多。下圖是某80Ah氫鎳電池不同溫度下電池放電效率圖，由圖中可以看出，在溫度高于40℃或者溫度低于0℃時，電池的放電效率顯著降低。倘若僅依據這一限制，此電池的工作運行范圍應當在0～40℃之間。
3)鋰離子電池
與氫鎳電池、鉛酸蓄電池相比，能量密度更高，導致生熱更多，所以對散熱要求更高。鋰離子電池最佳工作溫度在-20～75℃之間。
鉛酸蓄電池、氫鎳電池、鋰離子電池熱管理的必要性取決于各自的生熱率、能量效率和性能對溫度的敏感性。氫鎳電池在高溫40℃)時生熱最多、效率最低并且易于發生熱失控事故。因此，氫鎳電池很要熱管理，很多對氫鎳電池進行液體冷卻的努力也突出了這一點。
2、電池熱場計算及溫度預測
電池不是熱的良導體，電池表面溫度分布不能充足說明電池內部的熱狀態，通過數學模型計算電池內部的溫度場，預測電池的熱行為，有關設計電池包熱管理系統是不可或缺的環節。通常使用如下公式進行計算：
式中：
a、T是溫度;
b、ρ是均勻密度;
c、Cp是電池比熱;
d、kx、ky、kz分別是電池在x、y、z方向上的熱導率;
e、q是單位體積生熱速率。
3、電池生熱率
電池充電過程中的反應生熱可以分為兩個階段。
第1階段：
沒有發生過充電副反應之前，生熱量緊要來自:電池化學反應生熱、電池極化生熱、內阻焦耳熱。
第2階段：
在發生過充電副反應之后，生熱量緊要來自:電池化學反應生熱、電池極化生熱、過充電副反應生熱、內阻焦耳熱。其中大部分的生熱量來自于過充電副反應生熱。充電末期和過充電時，過充電副反應就開始發生。
電池放電過程中的生熱量緊要來自:電池化學反應生熱、電池極化生熱、內阻焦耳熱。要指出的是氫鎳電池放電時化學反應是吸熱反應，能吸收一部分熱量，所以生熱問題不是很嚴重。
電池的內阻是影響電池生熱速率的關鍵指標，它隨著電池SOC變化，在得到電池內阻值后可以通過計算獲得電池生熱量，下圖是某12V～80Ah氫鎳電池模塊在不同SOC下的內阻值。
采用專門設計的量熱計可以筆直測量出電池的生熱量，還可以測出電池的熱容量。
4、電池生熱量緊要因素
5、散熱結構設計
電池箱內不同電池模塊之間的溫度差異，會加劇電池內阻和容量的不一致性，倘若長時間積累，會造成部分電池過充電或者過放電，進而影響電池的壽命與性能，造成安全隱患。電池箱內電池模塊的溫度差異與電池包布置有很大關系，一般情況下，中間位置的電池容易積累熱量，邊緣的電池散熱條件要好些。所以在進行電池包結構布置和散熱設計時，要盡量保證電池包散熱的平均性。以空冷散熱為例來，通風方式一般有串行和并行兩種，如下圖所示。
串行通風方式下，冷空氣從左側吹入從右側吹出。空氣在流動過程中不斷地被加熱，所以右側的冷卻效果比左側要差，電池箱內電池包溫度從左到右依次升高。
并行通風方式使得空氣流量在電池模塊間更平均地分布。并行通風方式要對進排氣通道，電池布置位置進行很好地設計，其楔形的進排氣通道使得不同模塊間縫隙上下的壓力差基本保持一致，確保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一致性，從而保證了電池包溫度場分布的一致性。
6、風機與測溫點選擇
在設計電池熱管理系統時，希望選擇的風機種類與功率、溫度傳感器的數量與測溫點位置都恰到好處。
以空冷散熱方式為例，設計散熱系統時，在保證一定散熱效果的情況下，應當盡量減小流動阻力，降低風機噪音和功率消耗，提高整個系統的效率。可以用試驗、理論計算和流體力學CFD仿真(本案例采用FloEFD軟件)的辦法通過估計壓降、流量來估計風機的功率消耗。當流動阻力小時，可以考慮選用軸向流動風扇;當流動阻力大時，離心式風扇比較適合。當然也要考慮到風機占用空間的大小和成本的高低。尋找最優的風機控制策略也是熱管理系統的功能之一。
電池箱內電池包的溫度分布一般是不平均的，因此要了解不同條件下電池包熱場分布以確定危險的溫度點。測溫傳感器數量多，有測溫全面的優勢，但會新增系統成本。考慮到溫度傳感器有可能失效，整個系統中溫度傳感器的數量又不能太少，至少為兩個。依據不同的實際工程背景，理論上利用有限元分解、實驗中利用紅外熱成像或者實時的多點溫度監控的辦法可以分解和測量電池包、電池模塊和電池單體的熱場分布，決定測溫點的個數，找到不同區域適宜的測溫點。一般的設計應當保證溫度傳感器不被冷卻風吹到，以提高溫度測量的準確性和穩定性。在設計電池時，要考慮到預留測溫傳感器空間，比如可以在適當位置設計適宜的孔穴。
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手段之一。依據目前已有的風冷和水冷項目相關相關經驗，仿真可以完成如下工作：
1)水冷系統冷卻板的壓降計算以及冷卻水流動一致性計算;
2)電池組熱性能評估計算;
3)空氣冷卻系統優化計算。
1、散熱型電池組熱管理案例
以下為某混合動力汽車建立的整車熱管理，其中蘊含電池組熱管理模型、乘員艙模型、發動機冷卻、HVAC、油冷系統和電機冷卻系統FloMASTER軟件(軟件原名稱Flowmaster)仿真模型，其中針對電池冷卻系統，開展了一系列的設計仿真工作。
針對電池組，建立了電芯模型和冷卻模型，考慮了電芯的熱容、熱阻和熱橋，對冷卻和加熱過程進行了研究，得到了滿足冷卻溫度要求(電芯不超過40℃)的水流量和在規定的30分鐘內升溫30℃的加熱功率，以及加熱過程中各電芯的溫度平均性及滯后性能。
2、筆直空氣冷卻型電池組
該案例為三菱歐蘭德車型的熱管理仿真，得到了不同氣象條件及整個探測循環工況下蒸發器出口的冷風狀態及電芯溫度。
3、空/水混合冷卻型電池組
以下模型為空/水混合冷卻型電池熱管理及整車熱管理模型，并對該系統進行了不同季節、不同車況的熱管理仿真，并結合控制策略，研究了不同檔位的采暖和電池加熱工況以及純加熱工況，對系統設計及控制策略優化供應了緊要根據。
電池的溫度筆直影響了電池的安全性，因此電池的熱管理系統設計研究是電池系統設計中最關鍵的工作之一。非得嚴格按照電池的熱管理設計流程、電池的熱管理系統及零部件類型、熱管理系統的零部件選型及熱管理系統的性能評估等多個方面來進行電池系統熱管理的設計和驗證，才能保證電池的性能和安全性。
上一篇：磷酸鐵鋰離子電池可以“逆襲”嗎
下一篇：新能源汽車，究竟什么電池靠譜？
