鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：3398次 | 2019年05月06日
什么是動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
動(dòng)力鋰電池老化過(guò)程，溫度是最重要的影響因素，獲得適宜的工作溫度，能夠減緩電池的老化同時(shí)發(fā)揮電池的最優(yōu)性能。動(dòng)力電池包內(nèi)，集成幾百幾千只電池單體在一個(gè)系統(tǒng)中，單體性能的一致性直接影響電池組整體的性能和壽命。處在電池包內(nèi)不同位置，自然散熱條件千差萬(wàn)別，想要獲得一致的老化進(jìn)度，先需要?jiǎng)?chuàng)造一致的工作溫度。動(dòng)力鋰電池熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)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。
1需求導(dǎo)入
一個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，第一步務(wù)必理清客戶需求。除了一般需求，還應(yīng)該設(shè)身處地的挖掘周邊需求，即使客戶沒(méi)有提及，我們最好提前私下加以考慮。對(duì)于液冷系統(tǒng)，動(dòng)力鋰電池包的基本需求，如下面所列舉的項(xiàng)目所示。另，本文針對(duì)間接冷卻的情形。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電芯類(lèi)型及參數(shù)
鋰電池體系選擇，材料體系不同，帶來(lái)熱特性的區(qū)別。以現(xiàn)在主流的錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰為例。錳酸鋰，低溫特性比較好，但高溫耐老化性能較差，壽命較短，能量密度中等；磷酸鐵鋰，低溫放電能力差，高溫性能好，能量密度偏低；三元鋰，高低溫性能處于中上，能量密度高，壽命長(zhǎng)，但相對(duì)安全性偏低。電芯選型，就是根據(jù)能量密度、功率密度、循環(huán)性能、成本限制等主要要求選擇鋰電池類(lèi)型。電芯類(lèi)型確定，熱管理的熱源計(jì)算參數(shù)才能確定。
熱管理系統(tǒng)關(guān)心的電池參數(shù)包括：標(biāo)稱(chēng)電壓和電壓范圍，最大持續(xù)工作電流，能量密度，功率密度，電池內(nèi)阻（新電池和壽命終了階段）、熱特性參數(shù)（等效比熱容、等效熱傳導(dǎo)系數(shù)）
電池組設(shè)計(jì)信息
電池組由多少串并組成，等效連接電阻阻值，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，可能的散熱器布置形式。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)布置
電池包箱體空間形狀及尺寸，電池模組分布情形，高低壓電纜走線位置。
系統(tǒng)最大發(fā)熱功率（電池全生命周期、汽車(chē)全工況）
電芯、模組及電池包整體能夠達(dá)到的持續(xù)最大功率及相應(yīng)條件下的發(fā)熱功率，電池壽命終點(diǎn)考慮各老化因素以后的持續(xù)最大發(fā)熱功率，汽車(chē)運(yùn)行工況中的最大發(fā)熱功率和持續(xù)時(shí)間，汽車(chē)持續(xù)最高速運(yùn)行的最大發(fā)熱功率和持續(xù)時(shí)間。
另一個(gè)需要確定的需求，系統(tǒng)的最大發(fā)熱功率，是否需要考慮熱失控的情形。
應(yīng)用極端環(huán)境（溫度）
車(chē)輛目標(biāo)銷(xiāo)售地區(qū)的最高環(huán)境溫度和持續(xù)時(shí)間，最低環(huán)境溫度和持續(xù)時(shí)間。
電池包熱管理目標(biāo)
目標(biāo)主要包括最高、最低工作溫度范圍和最大溫差。
2總體設(shè)計(jì)
總體設(shè)計(jì)，針對(duì)輸入的需求，總體考慮冷卻系統(tǒng)的框架。
根據(jù)系統(tǒng)發(fā)熱功率密度以及密封性、允許溫度范圍、成本要求等，選擇適合的冷卻方式，初步確定散熱器類(lèi)型，加熱方式。參考車(chē)輛預(yù)留空間，大體考慮設(shè)備的布置和固定方式。
案例冷系統(tǒng)方案框架
3計(jì)算
鋰電芯發(fā)熱速率計(jì)算
人們根據(jù)對(duì)鋰電池電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，通常把充放電過(guò)程中的熱量劃分成四部分：反應(yīng)熱、歐姆熱、極化熱和副反應(yīng)熱。對(duì)于新電芯，副反應(yīng)熱比例極小，可以忽略不計(jì)。但到了電池生命的后期，這種簡(jiǎn)化可能會(huì)帶來(lái)較大偏差。
一個(gè)經(jīng)過(guò)大量簡(jiǎn)化的模型如下面公式所示：其中，各項(xiàng)系數(shù)K表示鋰電池在長(zhǎng)寬高各方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，q是電池單位體積的熱生成率，ρ代表電池密度，cp為電池比熱容，t為時(shí)間。
該模型簡(jiǎn)化了其他熱傳遞模式，只保留在電池內(nèi)部熱傳遞的主要形式——熱傳導(dǎo)方式；熱量只在電芯中心生成，與電芯的實(shí)際結(jié)構(gòu)存在較大差異；系統(tǒng)參數(shù)，不考慮隨溫度變化而變化的情形，設(shè)定熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容量為常數(shù)。對(duì)于各個(gè)方向上導(dǎo)熱系數(shù)的取值，有一種思路是，按照電芯內(nèi)各種組成材料的加權(quán)平均取值。
已經(jīng)存在的大量針對(duì)鋰電池電芯熱模型的研究，有的考慮電芯卷繞或者層疊的實(shí)際物理形式，設(shè)置每層都是熱源，層與層之間有熱量傳遞的過(guò)程；有的詳細(xì)描繪電芯內(nèi)部不同組成部分的發(fā)熱情形，并綜合各種熱源的作用，從電芯內(nèi)部生熱并在三維空間中進(jìn)行傳播的情形。
在設(shè)計(jì)散熱器或者集熱板的形式及其在電池模組中放置的位置時(shí)，電芯中具體哪個(gè)部位發(fā)熱，哪個(gè)點(diǎn)溫度最高，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有確定的影響。但在面對(duì)電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單顆電芯產(chǎn)生的主要影響是產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率。過(guò)多的細(xì)節(jié)反而占據(jù)計(jì)算資源。
下面需要計(jì)算前面公式中生熱速率q，公式來(lái)自經(jīng)典生熱速率模型：
其中，V是電芯體積；I是電芯電流；T是電芯溫度；R是電池內(nèi)阻；U0對(duì)T的偏導(dǎo)數(shù)，是溫度影響系數(shù)，在20℃～50℃范圍，取常數(shù)0.5mv/k;I^2R表示歐姆熱，U0對(duì)T的偏導(dǎo)數(shù)所在項(xiàng)表示電池可逆熱。此生熱速率模型，將生熱速率與電池可以測(cè)量到的參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，便于實(shí)際應(yīng)用。選取恒定電流值，則生熱速率可以直接計(jì)算得到。
電池組發(fā)熱量計(jì)算
電池模組內(nèi)，除了電池單體內(nèi)阻，還存在著連接電阻。單體電芯連接成電池組，電芯與連接導(dǎo)體的接觸電阻和連接導(dǎo)體的自身電阻；電池模組與模組之間使用高壓導(dǎo)線或者銅排鋁排連接，存在接觸電阻和導(dǎo)線內(nèi)阻。通電過(guò)程中，以上電阻都會(huì)產(chǎn)生熱量。對(duì)于連接形式相同的電池模組，可以通過(guò)整體內(nèi)阻測(cè)量，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出估計(jì)值，在建立仿真模型時(shí)使用，后續(xù)再根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果做出調(diào)整。
電池組的發(fā)熱量，按照電池組內(nèi)全部電芯的發(fā)熱量總和，加上連接電阻發(fā)熱量的總和計(jì)算。
單片散熱器的選型和計(jì)算
散熱器的形式多種多樣，有平板散熱器，熱管散熱器，相變材料組件，鋁板復(fù)合熱管散熱器等等。根據(jù)單片散熱器承擔(dān)的散熱量，設(shè)計(jì)散熱器與電池組的接觸面積和散熱器與液冷回路的熱交換面積。
散熱器的接觸面形狀，需要根據(jù)電池單體的形狀以及電池組內(nèi)電芯的布置情形確定，一方面希望散熱器獲得與電池之間最大的散熱面積，另一方面，不同位置的電芯需要保持與散熱器具有相同的接觸面積。
這里存在一個(gè)問(wèn)題，距離冷卻水管較近的電芯與較遠(yuǎn)的電芯相比，流經(jīng)它的冷卻液溫度偏低，理論上可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同位置的接觸面積去抵消冷卻液溫升帶來(lái)的影響。但這種設(shè)計(jì)在工程上的互換性太差，沒(méi)有一定的批量，成本會(huì)顯著上升。
系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和溫度范圍確定冷卻液型號(hào)。電池包冷卻系統(tǒng)內(nèi)，總共使用了多少散熱器，其散熱能力之和，是對(duì)冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的最低要求。
根據(jù)此要求，選擇循環(huán)系統(tǒng)管道尺寸和管道布置形式；確定散熱器之間串并聯(lián)關(guān)系，；確定冷卻液的進(jìn)出口溫度、壓力和流量；確定泵的揚(yáng)程；確定制冷裝置功率。
低溫加熱功率計(jì)算
總體思路是必須認(rèn)識(shí)到，低溫加熱過(guò)程中實(shí)際在進(jìn)行著兩個(gè)熱傳遞過(guò)程，一個(gè)是加熱器給電池包全部部件加熱，另一個(gè)是電池包箱體向周?chē)h(huán)境散熱。加熱過(guò)程，電池包內(nèi)部各種材質(zhì)的部件，分別計(jì)算從低溫加熱至理想溫度，需要多少熱量；散熱過(guò)程，在加熱器加熱的過(guò)程中，電池包箱體吸熱溫度上升，同時(shí)又在向周邊環(huán)境散熱，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)散熱的過(guò)程，高溫部分的溫度連續(xù)上升，低溫環(huán)境溫度維持不變。散熱過(guò)程主要以?xún)煞N熱傳遞方式進(jìn)行，對(duì)流傳熱和熱輻射。
電池包內(nèi)部件的類(lèi)型大體包含電芯、高低壓導(dǎo)線，固定電芯用的結(jié)構(gòu)件、冷卻系統(tǒng)的散熱器、冷卻系統(tǒng)管路、電池箱體、電池管理系統(tǒng)BMS和傳感器等。下表是案例作者對(duì)箱體內(nèi)材料的大體分類(lèi)。
計(jì)算電池包部件升溫所需全部熱量、箱體散發(fā)的熱量之和，得到加熱總體熱量。再根據(jù)加熱時(shí)間的具體要求，求得相應(yīng)加熱功率。
合理預(yù)熱功率估計(jì)
此處預(yù)熱是指，在低溫氣候下，車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間停放，電池包及熱管理系統(tǒng)的散熱器、管路以、冷卻液溫度都極低，如果依靠鋰電池自身的電量加熱，一方面溫度過(guò)低，可能低于電池允許放電的下限溫度，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)供電加熱；另一種情形，即使能夠供電，系統(tǒng)內(nèi)阻大且放電能力差，電池系統(tǒng)自身消耗大量的電能，而電量的消耗直接影響接下來(lái)的續(xù)航。為了應(yīng)對(duì)這種情形，有設(shè)計(jì)人員考慮了預(yù)熱策略。
電池包溫度過(guò)低時(shí)，不允許電池包放電，同時(shí)要求車(chē)主接通外部電源，給電池包內(nèi)的加熱系統(tǒng)供電，車(chē)輛處于禁行狀態(tài)。在預(yù)熱過(guò)程中，冷卻介質(zhì)充滿冷卻回路，得以與電池包一起獲取熱量。待預(yù)熱過(guò)程結(jié)束，車(chē)輛開(kāi)始運(yùn)行，電池自身會(huì)產(chǎn)生熱量，維持電池包內(nèi)的溫度。這樣，避免大量動(dòng)力電池的電量被用于加熱。只要預(yù)熱時(shí)間不要拖延太長(zhǎng)，對(duì)于用戶體驗(yàn)的提升大有好處。
預(yù)熱功率的計(jì)算，與前面低溫加熱的計(jì)算過(guò)程近似，但預(yù)熱需要考慮冷卻回路中充滿冷卻液的情形。
安裝固定強(qiáng)度計(jì)算
電池包熱管理系統(tǒng)，部分安裝在電池包內(nèi)部，部分直接安置在車(chē)身上。每個(gè)安裝固定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都需要考慮自身強(qiáng)度和固定強(qiáng)度問(wèn)題?？紤]方式與電池包內(nèi)的其他部件方法一致，本文不多做敘述。
