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動(dòng)力電池熱管理系統組成及其設計流程

[2018-06-11 12:22:10]

動(dòng)力電池熱管理系統組成及其設計流程

電動(dòng)汽車(chē)資源網(wǎng)訊：
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的能量來(lái)源,在充放電過(guò)程中電池本身會(huì )伴隨產(chǎn)生一定熱量,從而導致溫度上升,而溫度升高會(huì )影響電池的很多工作特性參數,如內阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。電池熱效應問(wèn)題也會(huì )影響到整車(chē)的性能和循環(huán)壽命,因此,做好熱管理對電池的性能、壽命至整車(chē)行駛里程都十分重要。
今天,就從電池熱管理系統及設計流程、零部件類(lèi)型及選型、熱管理系統性能及驗證等幾個(gè)方面來(lái)和大家聊一聊:
01
動(dòng)力電池熱管理必要性
1、電池熱量的產(chǎn)生
由于電池阻抗的存在,在電池充放電過(guò)程中,電流通過(guò)電池導致電池內部產(chǎn)生熱量。另外,由于電池內部的電化學(xué)反應也會(huì )造成一定的生熱量。
2、溫度升高對電池壽命的影響
溫度的升高對電池的日歷壽命和循環(huán)壽命都有影響。

從上面兩個(gè)圖可以看出,溫度對電池的日歷壽命有很大的影響。同樣的電芯,在環(huán)境溫度23℃,6238天后電池的剩余容量為80%,但是電池在55℃的環(huán)境下,272天后電池的剩余容量已經(jīng)達到80%。溫度升高32℃,電芯的日歷壽命下降了95%以上。因此,溫度對日歷壽命的影響極大,溫度越高日歷壽命衰退越嚴重。

從上面兩個(gè)圖可以看出,溫度對電池的循環(huán)壽命也有很大的影響。同一款電芯,當剩余容量為90%,25℃溫度下輸出容量為300kWh,而35℃溫度下的輸出容量?jì)H為163kWh。溫度上升10℃ ,電芯的循環(huán)壽命下降了近50%。由此可見(jiàn),溫度對電池的循環(huán)壽命有很大的影響。
因此,為了電池包性能的最優(yōu)化,需要設計熱管理系統確保各電芯工作在一個(gè)合理的溫度范圍內。
02
熱管理系統的分類(lèi)及介紹
不同的熱管理系統,零部件類(lèi)型的結構不同、重量不同以及系統的成本不同和控制方式不同,使得系統所達到的性能也不相同。主要有如下五大類(lèi):

1、直冷系統

直冷系統具有系統緊湊、重量輕以及性能好的優(yōu)點(diǎn)。但是此系統是一個(gè)雙蒸發(fā)器系統、系統沒(méi)有電池制熱、沒(méi)有冷凝水保護、制冷劑溫度不易控制且制冷劑系統壽命短。
2、低溫散熱器冷卻系統

低溫散熱器冷卻系統是電池的一個(gè)單獨系統,由散熱器、水泵和加熱器組成。該冷卻系統具有系統簡(jiǎn)單、成本低、低溫環(huán)境下經(jīng)濟節能等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統有著(zhù)冷卻性能低、夏天水溫高、應用受天氣限制等缺點(diǎn)。
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、冷卻性能好以及工業(yè)應用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統零部件比直冷多、系統復雜、燃料經(jīng)濟性差且壓縮機負荷高。此類(lèi)型的冷卻系統是目前最常用的電池熱管理系統之一。
4、空冷/水冷混合冷卻系統

空冷/水冷混合冷卻系統中有兩個(gè)關(guān)鍵零部件:
1)水冷電池冷卻器;
2)空冷電池散熱器。
空冷/水冷混合冷卻系統具有系統緊湊、性能好且低溫環(huán)境下經(jīng)濟節能等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統復雜、成本高、控制復雜且可靠性要求高。
5、直接空氣冷卻系統

此系統利用駕駛艙的低溫空氣對電池進(jìn)行冷卻。
直接空氣冷卻系統具有系統簡(jiǎn)單、空氣溫度可控以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統并不是對所有類(lèi)型的電芯都適合,浸濕后回復慢且電池內部會(huì )有污染的風(fēng)險。
03
熱管理系統設計流程
1、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程
電池熱管理系統的開(kāi)發(fā)流程應與電池包開(kāi)發(fā)流程保持一致。熱管理系統的設計貫穿于整個(gè)電池包的設計過(guò)程中,在整車(chē)開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)A樣件、B樣件、C樣件、D樣件以及最后的產(chǎn)品5個(gè)階段,電池熱管理參與每個(gè)階段的設計、更改、試制以及驗證。

2、熱管理開(kāi)發(fā)流程
設計性能良好的電池組熱管理系統,要采用系統化的設計方法。電池組熱管理系統設計的過(guò)程包括如下7個(gè)步驟:

04
設計過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)
1、確定電池工作最優(yōu)工作溫度范圍
由于氣候和車(chē)輛運行條件對電池影響很大,所以設計BTMS時(shí)需要確定電池組最優(yōu)的工作溫度范圍。目前電動(dòng)汽車(chē)用電池主要有鉛酸電池、氫鎳電池和鋰離子電池。
1)鉛酸電池
經(jīng)研究發(fā)現,鉛酸電池的壽命隨溫度增加線(xiàn)性減少,充電效率卻線(xiàn)性增加,隨著(zhù)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(gè)電池組的容量,推薦保持電池組內溫度的均勻分布和控制現有鉛酸電池溫度在35～40℃之間。效率和最大運行功率在-26～65℃范圍內增加。

2)氫鎳電池
當溫度超過(guò)50℃時(shí),電池充電效率和電池壽命都會(huì )大大衰減,在低溫狀態(tài)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(shí),電池的放電效率顯著(zhù)降低。如果僅根據這一限制,此電池的工作運行范圍應該在0～40℃之間。

3)鋰離子電池
與氫鎳電池、鉛酸電池相比,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(shí)生熱最多、效率最低并且易于發(fā)生熱失控事故。因此,氫鎳電池很需要熱管理,很多對氫鎳電池進(jìn)行液體冷卻的努力也突出了這一點(diǎn)。

2、電池熱場(chǎng)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分說(shuō)明電池內部的熱狀態(tài),通過(guò)數學(xué)模型計算電池內部的溫度場(chǎng),預測電池的熱行為,對于設計電池組熱管理系統是不可或缺的環(huán)節。通常使用如下公式進(jìn)行計算:

式中:
a、T 是溫度;
b、ρ 是平均密度;
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(guò)程中的反應生熱可以分為兩個(gè)階段。
第1階段:
沒(méi)有發(fā)生過(guò)充電副反應之前,生熱量主要來(lái)自: 電池化學(xué)反應生熱、電池極化生熱、內阻焦耳熱。
第2階段:
在發(fā)生過(guò)充電副反應之后,生熱量主要來(lái)自: 電池化學(xué)反應生熱、電池極化生熱、過(guò)充電副反應生熱、內阻焦耳熱。其中大部分的生熱量來(lái)自于過(guò)充電副反應生熱。充電末期和過(guò)充電時(shí),過(guò)充電副反應就開(kāi)始發(fā)生。
電池放電過(guò)程中的生熱量主要來(lái)自: 電池化學(xué)反應生熱、電池極化生熱、內阻焦耳熱。需要指出的是氫鎳電池放電時(shí)化學(xué)反應是吸熱反應,能吸收一部分熱量,所以生熱問(wèn)題不是很?chē)乐亍?/span>
電池的內阻是影響電池生熱速率的關(guān)鍵指標,它隨著(zhù)電池SOC變化,在得到電池內阻值后可以通過(guò)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(zhuān)門(mén)設計的量熱計可以直接測量出電池的生熱量,還可以測出電池的熱容量。
4、電池生熱量主要因素

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(huì )加劇電池內阻和容量的不一致性,如果長(cháng)時(shí)間積累,會(huì )造成部分電池過(guò)充電或者過(guò)放電,進(jìn)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組布置有很大關(guān)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(jìn)行電池組結構布置和散熱設計時(shí),要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來(lái),通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種,如下圖所示。

串行通風(fēng)方式下,冷空氣從左側吹入從右側吹出?？諝庠诹鲃?dòng)過(guò)程中不斷地被加熱,所以右側的冷卻效果比左側要差,電池箱內電池組溫度從左到右依次升高。
并行通風(fēng)方式使得空氣流量在電池模塊間更均勻地分布。并行通風(fēng)方式需要對進(jìn)排氣通道,電池布置位置進(jìn)行很好地設計,其楔形的進(jìn)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(guò)不同電池模塊的空氣流量的一致性,從而保證了電池組溫度場(chǎng)分布的一致性。
6、風(fēng)機與測溫點(diǎn)選擇
在設計電池熱管理系統時(shí),希望選擇的風(fēng)機種類(lèi)與功率、溫度傳感器的數量與測溫點(diǎn)位置都恰到好處。
以空冷散熱方式為例,設計散熱系統時(shí),在保證一定散熱效果的情況下,應該盡量減小流動(dòng)阻力,降低風(fēng)機噪音和功率消耗,提高整個(gè)系統的效率?？梢杂脤?shí)驗、理論計算和流體力學(xué)CFD仿真(本案例采用FloEFD軟件)的方法通過(guò)估計壓降、流量來(lái)估計風(fēng)機的功率消耗。當流動(dòng)阻力小時(shí),可以考慮選用軸向流動(dòng)風(fēng)扇;當流動(dòng)阻力大時(shí),離心式風(fēng)扇比較適合。當然也要考慮到風(fēng)機占用空間的大小和成本的高低。尋找最優(yōu)的風(fēng)機控制策略也是熱管理系統的功能之一。

同側風(fēng)道流線(xiàn)圖

異側風(fēng)道流線(xiàn)圖

電池箱內電池組的溫度分布一般是不均勻的,因此需要知道不同條件下電池組熱場(chǎng)分布以確定危險的溫度點(diǎn)。測溫傳感器數量多,有測溫全面的優(yōu)點(diǎn),但會(huì )增加系統成本?？紤]到溫度傳感器有可能失效,整個(gè)系統中溫度傳感器的數量又不能太少,至少為兩個(gè)。根據不同的實(shí)際工程背景,理論上利用有限元分析、試驗中利用紅外熱成像或者實(shí)時(shí)的多點(diǎn)溫度監控的方法可以分析和測量電池組、電池模塊和電池單體的熱場(chǎng)分布,決定測溫點(diǎn)的個(gè)數,找到不同區域合適的測溫點(diǎn)。一般的設計應該保證溫度傳感器不被冷卻風(fēng)吹到,以提高溫度測量的準確性和穩定性。在設計電池時(shí),要考慮到預留測溫傳感器空間,比如可以在適當位置設計合適的孔穴。
05
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。根據目前已有的風(fēng)冷和水冷項目經(jīng)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(dòng)一致性計算;
2)電池包熱性能評估計算;
3)空氣冷卻系統優(yōu)化計算。
1、散熱型電池包熱管理案例
以下為某混合動(dòng)力汽車(chē)建立的整車(chē)熱管理,其中包含電池包熱管理模型、乘員艙模型、發(fā)動(dòng)機冷卻、HVAC、油冷系統和電機冷卻系統FloMASTER軟件(軟件原名稱(chēng)Flowmaster)仿真模型,其中針對電池冷卻系統,開(kāi)展了一系列的設計仿真工作。

針對電池包,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(guò)程進(jìn)行了研究,得到了滿(mǎn)足冷卻溫度要求(電芯不超過(guò)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(guò)程中各電芯的溫度均勻性及滯后性能。

2、直接空氣冷卻型電池包
該案例為三菱歐蘭德車(chē)型的熱管理仿真,得到了不同氣象條件及整個(gè)測試循環(huán)工況下蒸發(fā)器出口的冷風(fēng)狀態(tài)及電芯溫度。

3、空/水混合冷卻型電池包
以下模型為空/水混合冷卻型電池熱管理及整車(chē)熱管理模型,并對該系統進(jìn)行了不同季節、不同車(chē)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?xún)?yōu)化提供了重要依據。

最后小編想說(shuō)電池的溫度直接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(guān)鍵的工作之一。必須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(lèi)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(gè)方面來(lái)進(jìn)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。