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?zé)峁芾韰⑴c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：

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重要有鉛酸電池、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新增線性減少，充電效率卻線性新增，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)新增。

2)氫鎳電池

當(dāng)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。假如僅根據(jù)這一限制，此電池的工作運行范圍應(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?zé)釄鲇嬎慵皽囟阮A(yù)測

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)模型計算電池內(nèi)部的溫度場，預(yù)測電池的熱行為，關(guān)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(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)生熱可以分為兩個階段。

第1階段：

沒有發(fā)生過充電副反應(yīng)之前，生熱量重要來自: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，生熱量重要來自: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，過充電副反應(yīng)就開始發(fā)生。

電池放電過程中的生熱量重要來自:電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。要指出的是氫鎳電池放電時化學(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、電池生熱量重要因素

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，假如長時間積累，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(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(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(fēng)機與測溫點選擇

在設(shè)計電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時，希望選擇的風(fēng)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(yīng)該盡量減小流動阻力，降低風(fēng)機噪音和功率消耗，提高整個系統(tǒng)的效率?？梢杂脤嶒?、理論計算和流體力學(xué)CFD仿真(本案例采用FloEFD軟件)的方法通過估計壓降、流量來估計風(fēng)機的功率消耗。當(dāng)流動阻力小時，可以考慮選用軸向流動風(fēng)扇;當(dāng)流動阻力大時，離心式風(fēng)扇比較適合。當(dāng)然也要考慮到風(fēng)機占用空間的大小和成本的高低。尋找最優(yōu)的風(fēng)機控制策略也是熱管理系統(tǒng)的功能之一。

電池箱內(nèi)電池組的溫度分布一般是不均勻的，因此要了解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，但會新增系統(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(yīng)該保證溫度傳感器不被冷卻風(fēng)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(yù)留測溫傳感器空間，比如可以在適當(dāng)位置設(shè)計合適的孔穴。

熱管理系統(tǒng)性能評估

仿真是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)最有效的評估手段之一。根據(jù)目前已有的風(fēng)冷和水冷項目相關(guān)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(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)化供應(yīng)了重要依據(jù)。

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。