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：

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。

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?？紤]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。

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停?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。