動力電池熱管理系統(tǒng)組成及其設(shè)計流程
[2018-06-11 12:22:10]
動力電池熱管理系統(tǒng)組成及其設(shè)計流程
電動汽車資源網(wǎng)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隨產(chǎn)生一定熱量,從而導致溫度上升,而溫度升高會影響電池的很多工作特性參數(shù),如內(nèi)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(huán)壽命,因此,做好熱管理對電池的性能、壽命至整車行駛里程都十分重要。
今天,就從電池熱管理系統(tǒng)及設(shè)計流程、零部件類型及選型、熱管理系統(tǒng)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、電池熱量的產(chǎn)生
由于電池阻抗的存在,在電池充放電過程中,電流通過電池導致電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量。另外,由于電池內(nèi)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歷壽命和循環(huán)壽命都有影響。
從上面兩個圖可以看出,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℃溫度下的輸出容量僅為163kWh。溫度上升10℃ ,電芯的循環(huán)壽命下降了近50%。由此可見,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(shè)計熱管理系統(tǒng)確保各電芯工作在一個合理的溫度范圍內(nèi)。
02
熱管理系統(tǒng)的分類及介紹
不同的熱管理系統(tǒng),零部件類型的結(jié)構(gòu)不同、重量不同以及系統(tǒng)的成本不同和控制方式不同,使得系統(tǒng)所達到的性能也不相同。主要有如下五大類:
1、直冷系統(tǒng)
直冷系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、重量輕以及性能好的優(yōu)點。但是此系統(tǒng)是一個雙蒸發(fā)器系統(tǒng)、系統(tǒng)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(tǒng)壽命短。
2、低溫散熱器冷卻系統(tǒng)
低溫散熱器冷卻系統(tǒng)是電池的一個單獨系統(tǒng),由散熱器、水泵和加熱器組成。該冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、成本低、低溫環(huán)境下經(jīng)濟節(jié)能等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)有著冷卻性能低、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(tǒng)
直接冷卻水冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、冷卻性能好以及工業(yè)應用范圍廣等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)零部件比直冷多、系統(tǒng)復雜、燃料經(jīng)濟性差且壓縮機負荷高。此類型的冷卻系統(tǒng)是目前最常用的電池熱管理系統(tǒng)之一。
4、空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)
空冷/水冷混合冷卻系統(tǒng)中有兩個關(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(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、性能好且低溫環(huán)境下經(jīng)濟節(jié)能等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)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(tǒng)
此系統(tǒng)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(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、空氣溫度可控以及成本低等優(yōu)點。但是此系統(tǒng)并不是對所有類型的電芯都適合,浸濕后回復慢且電池內(nèi)部會有污染的風險。
03
熱管理系統(tǒng)設(shè)計流程
1、產(chǎn)品開發(fā)流程
電池熱管理系統(tǒng)的開發(fā)流程應與電池包開發(fā)流程保持一致。熱管理系統(tǒng)的設(shè)計貫穿于整個電池包的設(shè)計過程中,在整車開發(fā)經(jīng)過A樣件、B樣件、C樣件、D樣件以及最后的產(chǎn)品5個階段,電池熱管理參與每個階段的設(shè)計、更改、試制以及驗證。
2、熱管理開發(fā)流程
設(shè)計性能良好的電池組熱管理系統(tǒng),要采用系統(tǒng)化的設(shè)計方法。電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計的過程包括如下7個步驟:
04
設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)
1、確定電池工作最優(yōu)工作溫度范圍
由于氣候和車輛運行條件對電池影響很大,所以設(shè)計BTMS時需要確定電池組最優(yōu)的工作溫度范圍。目前電動汽車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(xiàn),鉛酸電池的壽命隨溫度增加線性減少,充電效率卻線性增加,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組的容量,推薦保持電池組內(nèi)溫度的均勻分布和控制現(xiàn)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(nèi)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,電池的放電效率顯著降低。如果僅根據(jù)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內(nèi)部的熱狀態(tài),通過數(shù)學模型計算電池內(nèi)部的溫度場,預測電池的熱行為,對于設(shè)計電池組熱管理系統(tǒng)是不可或缺的環(huán)節(jié)。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(fā)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、內(nèi)阻焦耳熱。
第2階段:
在發(fā)生過充電副反應之后,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、內(nèi)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(fā)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、內(nèi)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。
電池的內(nèi)阻是影響電池生熱速率的關(guān)鍵指標,它隨著電池SOC變化,在得到電池內(nèi)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(nèi)阻值。
采用專門設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計
電池箱內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異,會加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性,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,造成安全隱患。電池箱內(nèi)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。所以在進行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)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(cè)吹入從右側(cè)吹出?？諝庠诹鲃舆^程中不斷地被加熱,所以右側(cè)的冷卻效果比左側(cè)要差,電池箱內(nèi)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(shè)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,從而保證了電池組溫度場分布的一致性。
6、風機與測溫點選擇
在設(shè)計電池熱管理系統(tǒng)時,希望選擇的風機種類與功率、溫度傳感器的數(shù)量與測溫點位置都恰到好處。
以空冷散熱方式為例,設(shè)計散熱系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)的風機控制策略也是熱管理系統(tǒng)的功能之一。
同側(cè)風道流線圖
異側(cè)風道流線圖
電池箱內(nèi)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確定危險的溫度點。測溫傳感器數(shù)量多,有測溫全面的優(yōu)點,但會增加系統(tǒng)成本?？紤]到溫度傳感器有可能失效,整個系統(tǒng)中溫度傳感器的數(shù)量又不能太少,至少為兩個。根據(jù)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(jiān)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(shù),找到不同區(qū)域合適的測溫點。一般的設(shè)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確性和穩(wěn)定性。在設(shè)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(shè)計合適的孔穴。
05
熱管理系統(tǒng)性能評估
仿真是電池熱管理系統(tǒng)最有效的評估手段之一。根據(jù)目前已有的風冷和水冷項目經(jīng)驗,仿真可以完成如下工作:
1)水冷系統(tǒng)冷卻板的壓降計算以及冷卻水流動一致性計算;
2)電池包熱性能評估計算;
3)空氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)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(fā)動機冷卻、HVAC、油冷系統(tǒng)和電機冷卻系統(tǒng)FloMASTER軟件(軟件原名稱Flowmaster)仿真模型,其中針對電池冷卻系統(tǒng),開展了一系列的設(shè)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(guī)定的30分鐘內(nèi)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型的熱管理仿真,得到了不同氣象條件及整個測試循環(huán)工況下蒸發(fā)器出口的冷風狀態(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熱管理模型,并對該系統(tǒng)進行了不同季節(jié)、不同車況的熱管理仿真,并結(jié)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(tǒng)設(shè)計及控制策略優(yōu)化提供了重要依據(jù)。
最后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(tǒng)設(shè)計研究是電池系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)鍵的工作之一。必須嚴格按照電池的熱管理設(shè)計流程、電池的熱管理系統(tǒng)及零部件類型、熱管理系統(tǒng)的零部件選型及熱管理系統(tǒng)的性能評估等多個方面來進行電池系統(tǒng)熱管理的設(shè)計和驗證,才能保證電池的性能和安全性。
