動力電池熱管理系統組成及其設計流程

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

動力電池熱管理系統組成及其設計流程

電動汽車資源網訊：
動力電池是電動汽車的能量來源,在充放電過程中電池本身會伴随産生一定熱量,從而導緻溫度上升,而溫度升高會影響電池的很多工作特性參數,如内阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率和電池壽命。電池熱效應問題也會影響到整車的性能和循環壽命,因此,做好熱管理對電池的性能、壽命至整車行駛裡程都十分重要。
今天,就從電池熱管理系統及設計流程、零部件類型及選型、熱管理系統性能及驗證等幾個方面來和大家聊一聊:
01
動力電池熱管理必要性
1、電池熱量的産生
由于電池阻抗的存在,在電池充放電過程中,電流通過電池導緻電池内部産生熱量。另外,由于電池内部的電化學反應也會造成一定的生熱量。
2、溫度升高對電池壽命的影響
溫度的升高對電池的日曆壽命和循環壽命都有影響。

從上面兩個圖可以看出,溫度對電池的日曆壽命有很大的影響。同樣的電芯,在環境溫度23℃,6238天後電池的剩餘容量為80%,但是電池在55℃的環境下,272天後電池的剩餘容量已經達到80%。溫度升高32℃,電芯的日曆壽命下降了95%以上。因此,溫度對日曆壽命的影響極大,溫度越高日曆壽命衰退越嚴重。

從上面兩個圖可以看出,溫度對電池的循環壽命也有很大的影響。同一款電芯,當剩餘容量為90%,25℃溫度下輸出容量為300kWh,而35℃溫度下的輸出容量僅為163kWh。溫度上升10℃ ,電芯的循環壽命下降了近50%。由此可見,溫度對電池的循環壽命有很大的影響。
因此,為了電池包性能的最優化,需要設計熱管理系統确保各電芯工作在一個合理的溫度範圍内。
02
熱管理系統的分類及介紹
不同的熱管理系統,零部件類型的結構不同、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:

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點。但是此系統是一個雙蒸發器系統、系統沒有電池制熱、沒有冷凝水保護、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單、成本低、低溫環境下經濟節能等優點。但是此系統有着冷卻性能低、夏天水溫高、應用受天氣限制等缺點。
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應用範圍廣等優點。但是此系統零部件比直冷多、系統複雜、燃料經濟性差且壓縮機負荷高。此類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關鍵零部件:
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、性能好且低溫環境下經濟節能等優點。但是此系統複雜、成本高、控制複雜且可靠性要求高。
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行冷卻。
直接空氣冷卻系統具有系統簡單、空氣溫度可控以及成本低等優點。但是此系統并不是對所有類型的電芯都适合,浸濕後回複慢且電池内部會有污染的風險。
03
熱管理系統設計流程
1、産品開發流程
電池熱管理系統的開發流程應與電池包開發流程保持一緻。熱管理系統的設計貫穿于整個電池包的設計過程中,在整車開發經過A樣件、B樣件、C樣件、D樣件以及最後的産品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程包括如下7個步驟:

04
設計過程中的關鍵技術
1、确定電池工作最優工作溫度範圍
由于氣候和車輛運行條件對電池影響很大,所以設計BTMS時需要确定電池組最優的工作溫度範圍。目前電動汽車用電池主要有鉛酸電池、氫鎳電池和锂離子電池。
1)鉛酸電池
經研究發現,鉛酸電池的壽命随溫度增加線性減少,充電效率卻線性增加,随着電池溫度的降低充電接受能力下降,特别是0℃以下;模塊間的溫度梯度減少了整個電池組的容量,推薦保持電池組内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℃範圍内增加。

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,在低溫狀态下,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。如果僅根據這一限制,此電池的工作運行範圍應該在0～40℃之間。

3)锂離子電池
與氫鎳電池、鉛酸電池相比,能量密度更高,導緻生熱更多,所以對散熱要求更高。锂離子電池最佳工作溫度在-20～75℃之間。
鉛酸電池、氫鎳電池、锂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,氫鎳電池很需要熱管理,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分說明電池内部的熱狀态,通過數學模型計算電池内部的溫度場,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節。通常使用如下公式進行計算:

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 分别是電池在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,生熱量主要來自: 電池化學反應生熱、電池極化生熱、内阻焦耳熱。
第2階段:
在發生過充電副反應之後,生熱量主要來自: 電池化學反應生熱、電池極化生熱、過充電副反應生熱、内阻焦耳熱。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主要來自: 電池化學反應生熱、電池極化生熱、内阻焦耳熱。需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。
電池的内阻是影響電池生熱速率的關鍵指标,它随着電池SOC變化,在得到電池内阻值後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下的内阻值。

采用專門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
電池箱内不同電池模塊之間的溫度差異,會加劇電池内阻和容量的不一緻性,如果長時間積累,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,造成安全隐患。電池箱内電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關系,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。所以在進行電池組結構布置和散熱設計時,要盡量保證電池組散熱的均勻性。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,電池箱内電池組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均勻地分布。并行通風方式需要對進排氣通道,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緻,确保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一緻性,從而保證了電池組溫度場分布的一緻性。
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,應該盡量減小流動阻力,降低風機噪音和功率消耗,提高整個系統的效率。可以用實驗、理論計算和流體力學CFD仿真(本案例采用FloEFD軟件)的方法通過估計壓降、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,離心式風扇比較适合。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。

同側風道流線圖

異側風道流線圖

電池箱内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分布以确定危險的溫度點。測溫傳感器數量多,有測溫全面的優點,但會增加系統成本。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。根據不同的實際工程背景,理論上利用有限元分析、試驗中利用紅外熱成像或者實時的多點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分布,決定測溫點的個數,找到不同區域合适的測溫點。一般的設計應該保證溫度傳感器不被冷卻風吹到,以提高溫度測量的準确性和穩定性。在設計電池時,要考慮到預留測溫傳感器空間,比如可以在适當位置設計合适的孔穴。
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。根據目前已有的風冷和水冷項目經驗,仿真可以完成如下工作:
1)水冷系統冷卻闆的壓降計算以及冷卻水流動一緻性計算;
2)電池包熱性能評估計算;
3)空氣冷卻系統優化計算。
1、散熱型電池包熱管理案例
以下為某混合動力汽車建立的整車熱管理,其中包含電池包熱管理模型、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分鐘内升溫30℃的加熱功率,以及加熱過程中各電芯的溫度均勻性及滞後性能。

2、直接空氣冷卻型電池包
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測試循環工況下蒸發器出口的冷風狀态及電芯溫度。

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提供了重要依據。

最後小編想說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。