钜大LARGE | 点击量：1008次 | 2021年08月17日
什么是动力锂离子电池热管理系统的设计流程
1、产品开发流程
电池热管理系统的开发流程应与电池组开发流程保持一致。热管理系统的设计贯穿于整个电池组的设计过程中，在整车开发经过A样件、b样件、C样件、D样件以及最后的产品5个阶段，电池热管理参与每个阶段的设计、更改、试制以及验证。
2、热管理开发流程
设计性能良好的电池包热管理系统，要采用系统化的设计办法。电池包热管理系统设计的过程包括如下7个步骤：
设计过程中的关键技术
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
1、确定电池工作最优工作温度范围
由于气候和车辆运行条件对电池影响很大，所以设计bTMS时要确定电池包最优的工作温度范围。目前电动汽车用电池紧要有铅酸蓄电池、氢镍电池和锂离子电池。
1)铅酸蓄电池
经研究发现，铅酸蓄电池的寿命随温度新增线性减少，充电效率却线性新增，随着电池温度的降低充电接受能力下降，特别是0℃以下;模块间的温度梯度减少了整个电池包的容量，推荐保持电池包内温度的平均分布和控制现有铅酸蓄电池温度在35～40℃之间。效率和最大运行功率在-26～65℃范围内新增。
2)氢镍电池
当温度超过50℃时，电池充电效率和电池寿命都会大大衰减，在低温状态下，电池的放电能力也比正常温度小得多。下图是某80Ah氢镍电池不同温度下电池放电效率图，由图中可以看出，在温度高于40℃或者温度低于0℃时，电池的放电效率显著降低。倘若仅依据这一限制，此电池的工作运行范围应当在0～40℃之间。
3)锂离子电池
与氢镍电池、铅酸蓄电池相比，能量密度更高，导致生热更多，所以对散热要求更高。锂离子电池最佳工作温度在-20～75℃之间。
铅酸蓄电池、氢镍电池、锂离子电池热管理的必要性取决于各自的生热率、能量效率和性能对温度的敏感性。氢镍电池在高温40℃)时生热最多、效率最低并且易于发生热失控事故。因此，氢镍电池很要热管理，很多对氢镍电池进行液体冷却的努力也突出了这一点。
2、电池热场计算及温度预测
电池不是热的良导体，电池表面温度分布不能充足说明电池内部的热状态，通过数学模型计算电池内部的温度场，预测电池的热行为，有关设计电池包热管理系统是不可或缺的环节。通常使用如下公式进行计算：
式中：
a、T是温度;
b、ρ是均匀密度;
c、Cp是电池比热;
d、kx、ky、kz分别是电池在x、y、z方向上的热导率;
e、q是单位体积生热速率。
3、电池生热率
电池充电过程中的反应生热可以分为两个阶段。
第1阶段：
没有发生过充电副反应之前，生热量紧要来自:电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。
第2阶段：
在发生过充电副反应之后，生热量紧要来自:电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。其中大部分的生热量来自于过充电副反应生热。充电末期和过充电时，过充电副反应就开始发生。
电池放电过程中的生热量紧要来自:电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。要指出的是氢镍电池放电时化学反应是吸热反应，能吸收一部分热量，所以生热问题不是很严重。
电池的内阻是影响电池生热速率的关键指标，它随着电池SOC变化，在得到电池内阻值后可以通过计算获得电池生热量，下图是某12V～80Ah氢镍电池模块在不同SOC下的内阻值。
采用专门设计的量热计可以笔直测量出电池的生热量，还可以测出电池的热容量。
4、电池生热量紧要因素
5、散热结构设计
电池箱内不同电池模块之间的温度差异，会加剧电池内阻和容量的不一致性，倘若长时间积累，会造成部分电池过充电或者过放电，进而影响电池的寿命与性能，造成安全隐患。电池箱内电池模块的温度差异与电池包布置有很大关系，一般情况下，中间位置的电池容易积累热量，边缘的电池散热条件要好些。所以在进行电池包结构布置和散热设计时，要尽量保证电池包散热的平均性。以空冷散热为例来，通风方式一般有串行和并行两种，如下图所示。
串行通风方式下，冷空气从左侧吹入从右侧吹出。空气在流动过程中不断地被加热，所以右侧的冷却效果比左侧要差，电池箱内电池包温度从左到右依次升高。
并行通风方式使得空气流量在电池模块间更平均地分布。并行通风方式要对进排气通道，电池布置位置进行很好地设计，其楔形的进排气通道使得不同模块间缝隙上下的压力差基本保持一致，确保了吹过不同电池模块的空气流量的一致性，从而保证了电池包温度场分布的一致性。
6、风机与测温点选择
在设计电池热管理系统时，希望选择的风机种类与功率、温度传感器的数量与测温点位置都恰到好处。
以空冷散热方式为例，设计散热系统时，在保证一定散热效果的情况下，应当尽量减小流动阻力，降低风机噪音和功率消耗，提高整个系统的效率。可以用试验、理论计算和流体力学CFD仿真(本案例采用FloEFD软件)的办法通过估计压降、流量来估计风机的功率消耗。当流动阻力小时，可以考虑选用轴向流动风扇;当流动阻力大时，离心式风扇比较适合。当然也要考虑到风机占用空间的大小和成本的高低。寻找最优的风机控制策略也是热管理系统的功能之一。
电池箱内电池包的温度分布一般是不平均的，因此要了解不同条件下电池包热场分布以确定危险的温度点。测温传感器数量多，有测温全面的优势，但会新增系统成本。考虑到温度传感器有可能失效，整个系统中温度传感器的数量又不能太少，至少为两个。依据不同的实际工程背景，理论上利用有限元分解、实验中利用红外热成像或者实时的多点温度监控的办法可以分解和测量电池包、电池模块和电池单体的热场分布，决定测温点的个数，找到不同区域适宜的测温点。一般的设计应当保证温度传感器不被冷却风吹到，以提高温度测量的准确性和稳定性。在设计电池时，要考虑到预留测温传感器空间，比如可以在适当位置设计适宜的孔穴。
热管理系统性能评估
仿真是电池热管理系统最有效的评估手段之一。依据目前已有的风冷和水冷项目相关相关经验，仿真可以完成如下工作：
1)水冷系统冷却板的压降计算以及冷却水流动一致性计算;
2)电池组热性能评估计算;
3)空气冷却系统优化计算。
1、散热型电池组热管理案例
以下为某混合动力汽车建立的整车热管理，其中蕴含电池组热管理模型、乘员舱模型、发动机冷却、HVAC、油冷系统和电机冷却系统FloMASTER软件(软件原名称Flowmaster)仿真模型，其中针对电池冷却系统，开展了一系列的设计仿真工作。
针对电池组，建立了电芯模型和冷却模型，考虑了电芯的热容、热阻和热桥，对冷却和加热过程进行了研究，得到了满足冷却温度要求(电芯不超过40℃)的水流量和在规定的30分钟内升温30℃的加热功率，以及加热过程中各电芯的温度平均性及滞后性能。
2、笔直空气冷却型电池组
该案例为三菱欧兰德车型的热管理仿真，得到了不同气象条件及整个探测循环工况下蒸发器出口的冷风状态及电芯温度。
3、空/水混合冷却型电池组
以下模型为空/水混合冷却型电池热管理及整车热管理模型，并对该系统进行了不同季节、不同车况的热管理仿真，并结合控制策略，研究了不同档位的采暖和电池加热工况以及纯加热工况，对系统设计及控制策略优化供应了紧要根据。
电池的温度笔直影响了电池的安全性，因此电池的热管理系统设计研究是电池系统设计中最关键的工作之一。非得严格按照电池的热管理设计流程、电池的热管理系统及零部件类型、热管理系统的零部件选型及热管理系统的性能评估等多个方面来进行电池系统热管理的设计和验证，才能保证电池的性能和安全性。
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