新能源動(dòng)力電池?zé)峁芾矸桨冈O(shè)計(jì)和熱流體仿真

       動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ矗鋵?duì)新能源汽車(chē)的重要性不言而喻。在實(shí)際的車(chē)輛使用過(guò)程中，電池會(huì)的面臨的使用工況復(fù)雜多變。

       在低溫下，鋰離子電池會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻增大、容量變小的現(xiàn)象，極端情況更會(huì)導(dǎo)致電解液凍結(jié)、電池?zé)o法放電等情況，電池系統(tǒng)低溫性能受到很大影響，造成電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力輸出性能衰減和續(xù)駛里程減少。在低溫工況下對(duì)新能源車(chē)輛進(jìn)行充電時(shí)，一般BMS先將電池加熱到適宜的溫度再進(jìn)行充電的操作。如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致瞬間的電壓過(guò)充，造成內(nèi)部短路，進(jìn)一步有可能會(huì)發(fā)生冒煙、起火甚至爆炸的情況。

       在高溫下，如充電器控制失效,可能會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量的熱,若熱量來(lái)不及散失而在電池內(nèi)部迅速積聚,電池可能會(huì)出現(xiàn)漏液、放氣、冒煙等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)電池發(fā)生 劇烈燃燒且發(fā)生爆炸。

       電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) (Battery Thermal Management System, BTMS)是電池管理系統(tǒng)的主要功能，電池的熱管理主要包括冷卻、加熱以及溫度均衡等功能。冷卻和加熱功能，主要是針對(duì)外部環(huán)境溫度對(duì)電池可能造成的影響來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。溫度均衡則是用來(lái)減小電池組內(nèi)部的溫度差異，防止某一部分電池過(guò)熱造成的快速衰減。通過(guò)導(dǎo)熱介質(zhì)、測(cè)控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使動(dòng)力電池工作在合適的溫度范圍之內(nèi)，以維持其最佳的使用狀態(tài)，用以保證電池系統(tǒng)的性能和壽命。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

熱管理系統(tǒng)的“V”模型開(kāi)發(fā)模式

       熱管理系統(tǒng)作為動(dòng)力電池系統(tǒng)的一個(gè)零部件，它的開(kāi)發(fā)過(guò)程同樣遵循汽車(chē)行業(yè)V"模型開(kāi)發(fā)模式，借助仿真工具以及通過(guò)大量的測(cè)試驗(yàn)證，只有這樣才能提升開(kāi)發(fā)效率，節(jié)省開(kāi)發(fā)陳本以及保障系統(tǒng)可靠性、安全性和使用壽命。

       如下是熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的“V”模型，總體來(lái)看該模型由一橫一縱兩個(gè)軸組成：橫軸又由四條正向開(kāi)發(fā)主線(xiàn)和一條逆向驗(yàn)證主線(xiàn)組成，并以正向開(kāi)發(fā)為主，兼顧逆向的閉環(huán)驗(yàn)證；縱軸由零部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)三個(gè)層級(jí)組成。

熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的“V”模型

       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(jì)研究是電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的工作之一。必須嚴(yán)格按照電池的熱管理設(shè)計(jì)流程、電池的熱管理系統(tǒng)及零部件類(lèi)型、熱管理系統(tǒng)的零部件選型及熱管理系統(tǒng)的性能評(píng)估等多個(gè)方面來(lái)進(jìn)行電池系統(tǒng)熱管理的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，才能保證電池的性能和安全性。

       1）熱管理系統(tǒng)要求，根據(jù)整車(chē)的使用環(huán)境、整車(chē)的運(yùn)行工況和電池單體的溫度窗口等設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行需求分析，以明確電池系統(tǒng)對(duì)熱管理系統(tǒng)的需求；系統(tǒng)要求，根據(jù)需求分析確定熱管理系統(tǒng)所具備的功能以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目這些設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括對(duì)電池單體溫度、電池單體間溫差、系統(tǒng)能耗和成本的控制

       2) 熱管理系統(tǒng)框架，根據(jù)系統(tǒng)需求將系統(tǒng)拆分為冷卻子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)、保溫子系統(tǒng)和熱失控阻隔( thermal runaway obstructin，TRo)子系統(tǒng)，并定義各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)進(jìn)行仿真分析以初步驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       3)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定每個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)依次進(jìn)行方式選擇、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和仿真分析驗(yàn)證

       4)零部件設(shè)計(jì)，首先根據(jù)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定零部件的設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和仿真分析

       5)零部件制造與測(cè)試，進(jìn)行零部件的生產(chǎn)制造，并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證

       6)子系統(tǒng)集成與驗(yàn)證，進(jìn)行子系統(tǒng)的集成與測(cè)試驗(yàn)證；

       7)系統(tǒng)集成與測(cè)試，進(jìn)行系統(tǒng)的集成與測(cè)試驗(yàn)證；

電池?zé)峁芾黹_(kāi)發(fā)流程

       如下是電池?zé)峁芾碓陂_(kāi)發(fā)時(shí)的簡(jiǎn)單的一個(gè)流程，共7個(gè)步驟，包括熱管理設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、仿真模型驗(yàn)證，系統(tǒng)和整車(chē)測(cè)試驗(yàn)證。

       l 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要要求如下：

1) 避免熱失控，有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)

2) 高溫環(huán)境中有效散熱

3) 低溫環(huán)境中迅速加速或者保溫

4) 減小電池溫度差異，保證電池溫度均勻性

5) 電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控

       l 動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)有兩個(gè)：

1) 電池包內(nèi)部維持在合理溫度范圍內(nèi)；

2) 不同電芯溫差盡可能小。

l 電池生熱率

       在動(dòng)力電池的仿真過(guò)程，電芯不同工況的發(fā)熱量是仿真的必不可少的邊界條件。那么如何確定電芯在不同工況下的發(fā)熱量，目前行業(yè)內(nèi)主要通過(guò)如下3種方法：

1) ARC測(cè)試，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具備測(cè)試條件。但測(cè)試準(zhǔn)確度對(duì)比熱容測(cè)試的結(jié)果準(zhǔn)確度依賴(lài)性很大，且標(biāo)準(zhǔn)塊的測(cè)試誤差達(dá)到5%。因絕熱環(huán)境電池溫升較大，測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)偏低。

2) Bernardi理論計(jì)算數(shù)據(jù)相對(duì)較準(zhǔn)確，已比較成熟，但需要實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)較多，包括工況數(shù)據(jù)，OCV數(shù)據(jù)，DE/DT數(shù)據(jù)，測(cè)試周期較長(zhǎng)。

I：電流值，充電為正，放電為負(fù)；

U：電池端電壓；

E：電池開(kāi)路電壓；

dE/dT：熵值系數(shù)

3) RC模型計(jì)算，但若可以建立準(zhǔn)確的RC模型，就可以實(shí)現(xiàn)各種工況的產(chǎn)熱模擬，如下是二階等效電路模型：用內(nèi)阻表示歐姆極化，RC電路表征濃差極化和電化學(xué)極化的綜合效果。

l 冷卻方式選擇

       熱管理系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的冷卻方式，

l 冷卻結(jié)構(gòu)：

       對(duì)與液冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，液冷板工作的原理是:電池工作產(chǎn)生的多余熱量,通過(guò)與板型鋁質(zhì)器件表面接觸的方式傳遞,液冷系統(tǒng)利用液體流動(dòng)換熱系數(shù)較大的特性,依靠液體流動(dòng)轉(zhuǎn)移高熱量,最終被器件內(nèi)部流道中通過(guò)的冷卻液帶走。那么它的尺寸設(shè)計(jì)、流量設(shè)計(jì)、冷卻面積設(shè)計(jì)這里就不在細(xì)說(shuō)。為了保證系統(tǒng)溫度一致性，冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用仿真工具和試驗(yàn)不斷的優(yōu)化，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

a) 優(yōu)化集流管

b) 調(diào)整冷板的寬度

c) 調(diào)整冷板的內(nèi)部流通截

d) 調(diào)整主管道的管徑

e) 調(diào)整支路管道的管徑

l 液冷工質(zhì)

      l 作為液冷系統(tǒng)的工作介質(zhì)，對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)，它的液冷工質(zhì)是十分重要的，在選擇液冷工質(zhì)時(shí)，需要從傳熱能力、黏度、使用溫度范圍、電絕緣性、腐蝕性、可燃性、毒性和費(fèi)用等方面綜合考慮。

電池?zé)峁芾矸桨冈O(shè)計(jì)

       電池包的熱管理方案，涉及到三個(gè)方面的措施：電池組的冷卻、電池組低溫預(yù)熱、電池組保溫。

l 電池組的冷卻設(shè)計(jì)

       電池組冷卻的形式根據(jù)傳熱路徑主要有兩種，直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻，是冷卻介質(zhì)直接從電芯表面流過(guò)，帶走多余熱量；間接冷卻，是冷卻介質(zhì)在管道和散熱器的流道中流過(guò)，散熱器與電芯接觸，將電芯熱量傳遞給冷卻介質(zhì)。

l 電池組的低溫預(yù)熱設(shè)計(jì)

       池組低溫預(yù)熱，有兩種基本形式：內(nèi)部加熱和外部加熱。

       內(nèi)部加熱：利用電池包外部的交流電源，給電池電解液加熱，直至達(dá)到電池包適用的溫度范圍為止。生熱的部件是電池自身，因此稱(chēng)為內(nèi)部加熱。

       外部加熱：利用外部電源，給電池以外的介質(zhì)加熱，介質(zhì)將熱量傳遞給電池，逐步提高電池溫度，直至電池適宜的溫度范圍。外部介質(zhì)包括空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，生熱的元件PTC和加熱膜等。

       如下是電池低溫預(yù)熱加1c放電情況下的檢查點(diǎn)溫度和溫差變化，大家可參考理解電池系統(tǒng)在低溫下的溫度變化

l 電池組保溫設(shè)計(jì)

       在低溫地區(qū)應(yīng)用的動(dòng)力電池包，箱體一般需要設(shè)計(jì)保溫措施，用來(lái)減緩預(yù)熱熱量的散失。防止行車(chē)途中短時(shí)停車(chē)時(shí)，電池再次降低到工作溫度以下。一般從模組的保溫和系統(tǒng)的保溫兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。保溫措施并不是每臺(tái)具備熱管理功能的車(chē)輛都設(shè)置的。車(chē)輛預(yù)熱，電池包進(jìn)入工作狀態(tài)以后，電池自身會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果不是極寒環(huán)境以及沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)的需要，則電池包運(yùn)行溫度可以依靠自身發(fā)熱維持。

電池?zé)峁芾鞢FD仿真

       鋰電池Pack設(shè)計(jì)中往往會(huì)借助熱流體仿真分析來(lái)輔助工程師完成pack熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，可對(duì)Pack、模組或電池進(jìn)行熱場(chǎng)仿真分析，電池?zé)峁芾矸抡媪鞒讨饕诋a(chǎn)品數(shù)模對(duì)其進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化（前處理），再對(duì)數(shù)模進(jìn)行離散處理（劃分網(wǎng)格），然后對(duì)系統(tǒng)施加一定的邊界條件和選取適合的計(jì)算模型后，交由仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，提取相關(guān)數(shù)據(jù)用于編寫(xiě)分析報(bào)告（后處理）。

      本文來(lái)源： 新能源熱管理技術(shù)   版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載僅供學(xué)習(xí)交流，如有不適請(qǐng)聯(lián)系我們，謝謝。 

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