解讀新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及設(shè)計(jì)流程

今天,就從電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及設(shè)計(jì)流程、零部件類型及選型、熱管理系統(tǒng)性能及驗(yàn)證等幾個(gè)方面來和大家聊一聊:

01 動(dòng)力電池?zé)峁芾肀匾?/span>

1、電池?zé)崃康漠a(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(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量。另外,由于電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)也會(huì)造成一定的生熱量。

2、溫度升高對(duì)電池壽命的影響

溫度的升高對(duì)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(duì)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(dá)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(duì)日歷壽命的影響極大,溫度越高日歷壽命衰退越嚴(yán)重。

從上面兩個(gè)圖可以看出,溫度對(duì)電池的循環(huán)壽命也有很大的影響。同一款電芯,當(dāng)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?jī)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,溫度對(duì)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(jì)熱管理系統(tǒng)確保各電芯工作在一個(gè)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(dá)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(diǎn)。但是此系統(tǒng)是一個(gè)雙蒸發(fā)器系統(tǒng)、系統(tǒng)沒有電池制熱、沒有冷凝水保護(hù)、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(gè)單獨(dú)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(jiǎn)單、成本低、低溫環(huán)境下經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)有著冷卻性能低、夏天水溫高、應(yīng)用受天氣限制等缺點(diǎn)。

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(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)零部件比直冷多、系統(tǒng)復(fù)雜、燃料經(jīng)濟(jì)性差且壓縮機(jī)負(fù)荷高。此類型的冷卻系統(tǒng)是目前最常用的電池?zé)峁芾硐到y(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(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(tǒng)具有系統(tǒng)緊湊、性能好且低溫環(huán)境下經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、控制復(fù)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(duì)電池進(jìn)行冷卻。

直接空氣冷卻系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、空氣溫度可控以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是此系統(tǒng)并不是對(duì)所有類型的電芯都適合,浸濕后回復(fù)慢且電池內(nèi)部會(huì)有污染的風(fēng)險(xiǎn)。

03 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

1、產(chǎn)品開發(fā)流程

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)流程應(yīng)與電池包開發(fā)流程保持一致。熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)貫穿于整個(gè)電池包的設(shè)計(jì)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(gè)階段,電池?zé)峁芾韰⑴c每個(gè)階段的設(shè)計(jì)、更改、試制以及驗(yàn)證。

2、熱管理開發(fā)流程

設(shè)計(jì)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(jì)方法。電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程包括如下7個(gè)步驟:

04 設(shè)計(jì)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(yùn)行條件對(duì)電池影響很大,所以設(shè)計(jì)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(gè)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(yùn)行功率在-26～65℃范圍內(nèi)增加。

2)氫鎳電池

當(dāng)溫度超過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降低。如果僅根據(jù)這一限制,此電池的工作運(yùn)行范圍應(yīng)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(dǎo)致生熱更多,所以對(duì)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?zé)峁芾淼谋匾匀Q于各自的生熱率、能量效率和性能對(duì)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(duì)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?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)

電池不是熱的良導(dǎo)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(xué)模型計(jì)算電池內(nèi)部的溫度場(chǎng),預(yù)測(cè)電池的熱行為,對(duì)于設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)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(dǎo)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(yīng)生熱可以分為兩個(gè)階段。

第1階段:

沒有發(fā)生過充電副反應(yīng)之前,生熱量主要來自: 電池化學(xué)反應(yīng)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(yīng)之后,生熱量主要來自: 電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)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(yīng)生熱。充電末期和過充電時(shí),過充電副反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(shí)化學(xué)反應(yīng)是吸熱反應(yīng),能吸收一部分熱量,所以生熱問題不是很嚴(yán)重。

電池的內(nèi)阻是影響電池生熱速率的關(guān)鍵指標(biāo),它隨著電池SOC變化,在得到電池內(nèi)阻值后可以通過計(jì)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(jì)的量熱計(jì)可以直接測(cè)量出電池的生熱量,還可以測(cè)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(jì)

電池箱內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異,會(huì)加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性,如果長(zhǎng)時(shí)間積累,會(huì)造成部分電池過充電或者過放電,進(jìn)而影響電池的壽命與性能,造成安全隱患。電池箱內(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(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)計(jì)時(shí),要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來,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(cè)吹入從右側(cè)吹出?？諝庠诹鲃?dòng)過程中不斷地被加熱,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(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(duì)進(jìn)排氣通道,電池布置位置進(jìn)行很好地設(shè)計(jì),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(jī)與測(cè)溫點(diǎn)選擇

在設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí),希望選擇的風(fēng)機(jī)種類與功率、溫度傳感器的數(shù)量與測(cè)溫點(diǎn)位置都恰到好處。

以空冷散熱方式為例,設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)時(shí),在保證一定散熱效果的情況下,應(yīng)該盡量減小流動(dòng)阻力,降低風(fēng)機(jī)噪音和功率消耗,提高整個(gè)系統(tǒng)的效率?？梢杂脤?shí)驗(yàn)、理論計(jì)算和流體力學(xué)CFD仿真(本案例采用FloEFD軟件)的方法通過估計(jì)壓降、流量來估計(jì)風(fēng)機(jī)的功率消耗。當(dāng)流動(dòng)阻力小時(shí),可以考慮選用軸向流動(dòng)風(fēng)扇;當(dāng)流動(dòng)阻力大時(shí),離心式風(fēng)扇比較適合。當(dāng)然也要考慮到風(fēng)機(jī)占用空間的大小和成本的高低。尋找最優(yōu)的風(fēng)機(jī)控制策略也是熱管理系統(tǒng)的功能之一。

同側(cè)風(fēng)道流線圖

異側(cè)風(fēng)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(chǎng)分布以確定危險(xiǎn)的溫度點(diǎn)。測(cè)溫傳感器數(shù)量多,有測(cè)溫全面的優(yōu)點(diǎn),但會(huì)增加系統(tǒng)成本。考慮到溫度傳感器有可能失效,整個(gè)系統(tǒng)中溫度傳感器的數(shù)量又不能太少,至少為兩個(gè)。根據(jù)不同的實(shí)際工程背景,理論上利用有限元分析、試驗(yàn)中利用紅外熱成像或者實(shí)時(shí)的多點(diǎn)溫度監(jiān)控的方法可以分析和測(cè)量電池組、電池模塊和電池單體的熱場(chǎng)分布,決定測(cè)溫點(diǎn)的個(gè)數(shù),找到不同區(qū)域合適的測(cè)溫點(diǎn)。一般的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證溫度傳感器不被冷卻風(fēng)吹到,以提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)電池時(shí),要考慮到預(yù)留測(cè)溫傳感器空間,比如可以在適當(dāng)位置設(shè)計(jì)合適的孔穴。

05 熱管理系統(tǒng)性能評(píng)估

仿真是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)最有效的評(píng)估手段之一。根據(jù)目前已有的風(fēng)冷和水冷項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),仿真可以完成如下工作:

1)水冷系統(tǒng)冷卻板的壓降計(jì)算以及冷卻水流動(dòng)一致性計(jì)算;

2)電池包熱性能評(píng)估計(jì)算;

3)空氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算。

1、散熱型電池包熱管理案例

以下為某混合動(dòng)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(dòng)機(jī)冷卻、HVAC、油冷系統(tǒng)和電機(jī)冷卻系統(tǒng)FloMASTER軟件(軟件原名稱Flowmaster)仿真模型,其中針對(duì)電池冷卻系統(tǒng),開展了一系列的設(shè)計(jì)仿真工作。

針對(duì)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(duì)冷卻和加熱過程進(jìn)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(gè)測(cè)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?zé)峁芾砑罢嚐峁芾砟Ｐ?并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)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(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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。