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新能源汽车丨电池热管理系统的设计与开发

新能源汽车丨电池热管理系统的设计与开发

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在不远的未来,马路上奔跑的汽油燃油车将逐渐被电力驱动的新能源汽车代替。对于新能源汽车能否长久续航的问题,最为关键的部件是车辆的电池。电池的状态、温度、温度场的均匀性等都对蓄电池的性能和寿命具有很大影响。

电池热系统管理是对电池散热系统的优化设计与散热性能的预测,对提高混合动力汽车及动力电池的成熟度及可靠性有着十分重要的现实意义。

 

电池热管理系统

1电池管理系统

电池管理系统(BMS)是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。纯电动汽车的动力输出依靠电池,而电池管理系统则是其中的核心,负责控制电池的充电和放电以及实现电池状态估算等功能。

2热管理系统

  车辆热管理指从系统集成和整体角度,统筹热管理系统与热管理对象、整车的关系,采用综合控制和系统管理的方法,将各个系统或部件集成一个有效的热管理系统,控制和优化车辆的热传递过程。换言之则是系统管理车辆各个部位的热能,能有效降低废热排放,提高能源利用效率,减少环境污染。

3电池热管理系统

 

综合以上对于电池管理系统及热管理系统的描述,电池热管理系统可视为电池管理系统和热管理系统的交集。

1)必要性

电池热管理系统(BTMS),指通过导热介质、测控单元以及温控设备构成闭环调节系统,使动力电池工作在合适的温度范围之内,以维持其最佳的使用状态。电池的热相关问题很大程度决定了电池系统的性能和寿命。

A.电池能量与功率性能

温度较低时,电池的可用容量将迅速发生衰减,在过低温度下(如低于0℃)对电池进行充电,则可能引发瞬间的电压过充现象,造成内部短路。

B.电池的安全性

生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热,并进而引|起连锁放热反应,最终造成烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件。

C.电池使用寿命

电池的适宜温度约在10~30℃之间,过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小,电池内部热量不易散出,更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题,从而进一步加速电池衰减,缩短电池寿命

2)功能

电池热管理系统是应对电池的热相关问题,主要功能包括:

A. 散热

在电池温度较高时进行有效散热,防止产生热失控事故;

B. 预热

在电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充电、放电性能和安全性;

C. 温度均衡

减小电池组内的温度差异,抑制局部热区的形成,防止高温位置处电池过快衰减,以提高电池组整体寿命。

3)分类

A. 直冷系统

直冷系统具有系统紧凑、重量轻以及性能好的优点。但是此系统是一个双蒸发器系统、系统没有电池制热、没有冷凝水保护、制冷剂温度不易控制且制冷剂系统寿命短。目前通过直冷的冷却方式基本在电动乘用车上,最典型的如BMW i3(i3有液冷、直冷两种冷却方案)

 

B. 低温散热器冷却系统

低温散热器冷却系统是电池的一个单独系统,由散热器、水泵和加热器组成。该冷却系统具有系统简单、成本低、低温环境下经济节能等优点。但是此系统有着冷却性能低、夏天水温高、应用受天气限制等缺点。

C. 直接冷却水冷却系统

液冷是目前许多电动乘用车的优选方案,国内外的典型产品如宝马i3、特斯拉、通用沃蓝达(Volt)、华晨宝马之诺、吉利帝豪EV直接冷却水冷却系统具有系统紧凑、冷却性能好以及工业应用范围广等优点。但是此系统零部件比直冷多、系统复杂、燃料经济性差且压缩机负荷高。此类型的冷却系统是目前最常用的电池热管理系统之一。

D. 空冷/水冷混合冷却系统

空冷/水冷混合冷却系统中有两个关键零部件,即水冷电池冷却器和空冷电池散热器。空冷/水冷混合冷却系统具有系统紧凑、性能好且低温环境下经济节能等优点。但是此系统复杂、成本高、控制复杂且可靠性要求高。

E. 直接空气冷却系统

此系统利用驾驶舱的低温空气对电池进行冷却。在早期的电动乘用车应用广泛,如日产聆风(Nissan Leaf)、起亚Soul EV等,在目前的电动巴士、电动物流车中也被广泛采纳。直接空气冷却系统具有系统简单、空气温度可控以及成本低等优点。但是此系统并不是对所有类型的电芯都适合,浸湿后回复慢且电池内部会有污染的风险。

 

电池热管理系统设计

1设计流程

2设计要求

电池热管理系统的开发流程应与电池包开发流程保持一致,必须严格按照电池热管理机组的设计流程。电池热管理系统的开发流程应与电池包开发流程保持一致,必须严格按照电池热管理机组的设计流程、零部件选型及机组性能评估等多个方面来验证其性能及功能的可靠性。一个性能卓越、可靠性高的热管理机组才能保证电池热管理系统的稳定与安全 。同时从现实角度出发要注意热管理系统的造价成本、所处环境及所占面积等多方面的问题。

3关键技术

1)确定电池最优工作温度范围

电池组热管理系统要确保电池组始终在安全的温度范围内运行, 并且尽量将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范围内。因此确定电池最优工作温度范围为设计过程中的重要环节。最优工作温度范围可以由电池制造者提供, 也可以由电池使用者通过实验来确定。

2)电池热场计算及温度预测

 

由于电池不是热的良导体, 仅得知电池表面温度分布不能充分说明电池内部的热状态, 因此需要通过数学模型计算电池内部的温度场, 预测电池的热行为。

3)传热介质选择

传热介质应该在设计热管理系统前进行确定,传热介质决定了热管理系统的冷却方式(空冷、液冷、相变材料冷却)。很大程度上传热介质决定了电池热管理系统的效率,对换热、传热以及系统环境都有很大影响。

4)热管理系统散热结构设计

优良的散热结构设计将改善电池箱内不同电池模块之间具有的温度差异,这种温度差异会加剧电池内阻和容量的不一致性,如果长时间积累会造成部分电池过充电或者过放电,进而影响电池的寿命与性能,并造成安全隐患。在进行电池组结构布置和散热设计时, 要尽量保证电池组散热的均匀性。

并行通风

 

单行通风

5)风机与测温点选择

对风机,在保证一定散热效果的情况下,应该尽量减小流动阻力,降低风机噪音和功率消耗,提高整个系统的效率。对测温点,由于电池箱内电池组的温度分布一般是不均匀的,所以说为了保证电池的正常工作,需要确定电池箱中可能造成危险的温度点。一方面测温传感器要全面反映电池的运作状态,且要考虑传感器失效的情况,另一方面又要考虑成本,因此温度传感器的数量应该设计得适量。

 

主要技术

电池热管理系统的主要技术有空气冷却技术、液体冷却技术、相变材料冷却技术及热管理冷却技术。

1空气冷却技术

目前对空气冷却式热管理系统的研究主要包括电池排列方式、电池间距、风道、风速或风量等因素对系统热管理能力的影响。风冷技术是目前新能源动力电池中应用最广泛的散热技术。

强制气流可以通过风扇产生,也可以利用汽车行进过程中的迎面风或者压缩空气等产生。与其他技术相比,风冷技术相对简单、安全,维护也方便。日本丰田公司的混合动力电动汽车Prius和本田公司的Insight都采用了风冷的形式,尼桑、通用等汽车公司研制的热管理系统主要采用强制风冷形式。但随着锂离子的电池热负荷越来越大,传统的强制空冷也已逐渐不能满足要求。对于大规模的锂离子电池来说,由于其热导率较低,电池排列紧密,电池箱体空间有限,热传导的弛豫时间较长,仅用空气冷却已经无法达到预期要求。

2液体冷却技术

水冷技术是基于液体热交换的冷却技术。国外对水冷技术研究较早,应用时间也较长,并且随着不断的探索、实践与改进,系统的热交换系数以及冷却加热速度均已达到了较好的水平,并且通过新材料的应用,国外水冷系统的重量也有所减轻。

特斯拉Model S车型采用的就是水冷技术对电池进行降温。特斯拉在其电池排布、热管理系统、电池管理系统上进行了非常深入的设计,以保证每个电池单元都在监管之下,其状态数据能够被随时反馈、处理。对于单个体积很小的电池单元,特斯拉将其独立封闭在钢制隔间里,同时液冷系统可以具体到为每一个电池单元进行冷却,降低彼此的温差,也相对降低了电池自燃的风险。

3热管冷却技术

1)热管

 

热管又称热导管或超导管, 是一种传热性极好的人工构件,分为蒸发段、绝热段和冷凝段,在快速传热的方面,热管拥有极强的优势。

2)应用

热管是一种较好的热桥,以其多样化的形式和灵活的布置位置结合其他强制冷却方式,能在冷却中获得较好的效果,尤其是小型热管技术的发展,能给动力电池的安全长效运行带来更大的发展空间。

 

对电池热管理系统的设计,一方面是在传统的工作方式基础上进行优化,提高其工作性能。另一方面更要在热管等新材料的方面进行研究。对热的有效控制是关系到性能持续提升和市场扩大的关键,这方面的发展将很大程度影响到新能源汽车的发展和推广。

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