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新能源汽車丨電池熱管理系統的設計與開發

新能源汽車丨電池熱管理系統的設計與開發

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在不遠的未來,馬路上奔跑的汽油燃油車將逐漸被電力驅動的新能源汽車代替。對于新能源汽車能否長久續航的問題,最為關鍵的部件是車輛的電池。電池的狀態、溫度、溫度場的均勻性等都對蓄電池的性能和壽命具有很大影響。

電池熱系統管理是對電池散熱系統的優化設計與散熱性能的預測,對提高混合動力汽車及動力電池的成熟度及可靠性有著十分重要的現實意義。

 

電池熱管理系統

1電池管理系統

電池管理系統(BMS)是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶。純電動汽車的動力輸出依靠電池,而電池管理系統則是其中的核心,負責控制電池的充電和放電以及實現電池狀態估算等功能。

2熱管理系統

  車輛熱管理指從系統集成和整體角度,統籌熱管理系統與熱管理對象、整車的關系,采用綜合控制和系統管理的方法,將各個系統或部件集成一個有效的熱管理系統,控制和優化車輛的熱傳遞過程。換言之則是系統管理車輛各個部位的熱能,能有效降低廢熱排放,提高能源利用效率,減少環境污染。

3電池熱管理系統

 

綜合以上對于電池管理系統及熱管理系統的描述,電池熱管理系統可視為電池管理系統和熱管理系統的交集。

1)必要性

電池熱管理系統(BTMS),指通過導熱介質、測控單元以及溫控設備構成閉環調節系統,使動力電池工作在合適的溫度范圍之內,以維持其最佳的使用狀態。電池的熱相關問題很大程度決定了電池系統的性能和壽命。

A.電池能量與功率性能

溫度較低時,電池的可用容量將迅速發生衰減,在過低溫度下(如低于0℃)對電池進行充電,則可能引發瞬間的電壓過充現象,造成內部短路。

B.電池的安全性

生產制造環節的缺陷或使用過程中的不當操作等可能造成電池局部過熱,并進而引|起連鎖放熱反應,最終造成煙、起火甚至爆炸等嚴重的熱失控事件。

C.電池使用壽命

電池的適宜溫度約在10~30℃之間,過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小,電池內部熱量不易散出,更可能出現內部溫度不均、局部溫升過高等問題,從而進一步加速電池衰減,縮短電池壽命

2)功能

電池熱管理系統是應對電池的熱相關問題,主要功能包括:

A. 散熱

在電池溫度較高時進行有效散熱,防止產生熱失控事故;

B. 預熱

在電池溫度較低時進行預熱,提升電池溫度,確保低溫下的充電、放電性能和安全性;

C. 溫度均衡

減小電池組內的溫度差異,抑制局部熱區的形成,防止高溫位置處電池過快衰減,以提高電池組整體壽命。

3)分類

A. 直冷系統

直冷系統具有系統緊湊、重量輕以及性能好的優點。但是此系統是一個雙蒸發器系統、系統沒有電池制熱、沒有冷凝水保護、制冷劑溫度不易控制且制冷劑系統壽命短。目前通過直冷的冷卻方式基本在電動乘用車上,最典型的如BMW i3(i3有液冷、直冷兩種冷卻方案)

 

B. 低溫散熱器冷卻系統

低溫散熱器冷卻系統是電池的一個單獨系統,由散熱器、水泵和加熱器組成。該冷卻系統具有系統簡單、成本低、低溫環境下經濟節能等優點。但是此系統有著冷卻性能低、夏天水溫高、應用受天氣限制等缺點。

C. 直接冷卻水冷卻系統

液冷是目前許多電動乘用車的優選方案,國內外的典型產品如寶馬i3、特斯拉、通用沃藍達(Volt)、華晨寶馬之諾、吉利帝豪EV直接冷卻水冷卻系統具有系統緊湊、冷卻性能好以及工業應用范圍廣等優點。但是此系統零部件比直冷多、系統復雜、燃料經濟性差且壓縮機負荷高。此類型的冷卻系統是目前最常用的電池熱管理系統之一。

D. 空冷/水冷混合冷卻系統

空冷/水冷混合冷卻系統中有兩個關鍵零部件,即水冷電池冷卻器和空冷電池散熱器。空冷/水冷混合冷卻系統具有系統緊湊、性能好且低溫環境下經濟節能等優點。但是此系統復雜、成本高、控制復雜且可靠性要求高。

E. 直接空氣冷卻系統

此系統利用駕駛艙的低溫空氣對電池進行冷卻。在早期的電動乘用車應用廣泛,如日產聆風(Nissan Leaf)、起亞Soul EV等,在目前的電動巴士、電動物流車中也被廣泛采納。直接空氣冷卻系統具有系統簡單、空氣溫度可控以及成本低等優點。但是此系統并不是對所有類型的電芯都適合,浸濕后回復慢且電池內部會有污染的風險。

 

電池熱管理系統設計

1設計流程

2設計要求

電池熱管理系統的開發流程應與電池包開發流程保持一致,必須嚴格按照電池熱管理機組的設計流程。電池熱管理系統的開發流程應與電池包開發流程保持一致,必須嚴格按照電池熱管理機組的設計流程、零部件選型及機組性能評估等多個方面來驗證其性能及功能的可靠性。一個性能卓越、可靠性高的熱管理機組才能保證電池熱管理系統的穩定與安全 。同時從現實角度出發要注意熱管理系統的造價成本、所處環境及所占面積等多方面的問題。

3關鍵技術

1)確定電池最優工作溫度范圍

電池組熱管理系統要確保電池組始終在安全的溫度范圍內運行, 并且盡量將電池組的工作溫度保持在最優的工作溫度范圍內。因此確定電池最優工作溫度范圍為設計過程中的重要環節。最優工作溫度范圍可以由電池制造者提供, 也可以由電池使用者通過實驗來確定。

2)電池熱場計算及溫度預測

 

由于電池不是熱的良導體, 僅得知電池表面溫度分布不能充分說明電池內部的熱狀態, 因此需要通過數學模型計算電池內部的溫度場, 預測電池的熱行為。

3)傳熱介質選擇

傳熱介質應該在設計熱管理系統前進行確定,傳熱介質決定了熱管理系統的冷卻方式(空冷、液冷、相變材料冷卻)。很大程度上傳熱介質決定了電池熱管理系統的效率,對換熱、傳熱以及系統環境都有很大影響。

4)熱管理系統散熱結構設計

優良的散熱結構設計將改善電池箱內不同電池模塊之間具有的溫度差異,這種溫度差異會加劇電池內阻和容量的不一致性,如果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,并造成安全隱患。在進行電池組結構布置和散熱設計時, 要盡量保證電池組散熱的均勻性。

并行通風

 

單行通風

5)風機與測溫點選擇

對風機,在保證一定散熱效果的情況下,應該盡量減小流動阻力,降低風機噪音和功率消耗,提高整個系統的效率。對測溫點,由于電池箱內電池組的溫度分布一般是不均勻的,所以說為了保證電池的正常工作,需要確定電池箱中可能造成危險的溫度點。一方面測溫傳感器要全面反映電池的運作狀態,且要考慮傳感器失效的情況,另一方面又要考慮成本,因此溫度傳感器的數量應該設計得適量。

 

主要技術

電池熱管理系統的主要技術有空氣冷卻技術、液體冷卻技術、相變材料冷卻技術及熱管理冷卻技術。

1空氣冷卻技術

目前對空氣冷卻式熱管理系統的研究主要包括電池排列方式、電池間距、風道、風速或風量等因素對系統熱管理能力的影響。風冷技術是目前新能源動力電池中應用最廣泛的散熱技術。

強制氣流可以通過風扇產生,也可以利用汽車行進過程中的迎面風或者壓縮空氣等產生。與其他技術相比,風冷技術相對簡單、安全,維護也方便。日本豐田公司的混合動力電動汽車Prius和本田公司的Insight都采用了風冷的形式,尼桑、通用等汽車公司研制的熱管理系統主要采用強制風冷形式。但隨著鋰離子的電池熱負荷越來越大,傳統的強制空冷也已逐漸不能滿足要求。對于大規模的鋰離子電池來說,由于其熱導率較低,電池排列緊密,電池箱體空間有限,熱傳導的弛豫時間較長,僅用空氣冷卻已經無法達到預期要求。

2液體冷卻技術

水冷技術是基于液體熱交換的冷卻技術。國外對水冷技術研究較早,應用時間也較長,并且隨著不斷的探索、實踐與改進,系統的熱交換系數以及冷卻加熱速度均已達到了較好的水平,并且通過新材料的應用,國外水冷系統的重量也有所減輕。

特斯拉Model S車型采用的就是水冷技術對電池進行降溫。特斯拉在其電池排布、熱管理系統、電池管理系統上進行了非常深入的設計,以保證每個電池單元都在監管之下,其狀態數據能夠被隨時反饋、處理。對于單個體積很小的電池單元,特斯拉將其獨立封閉在鋼制隔間里,同時液冷系統可以具體到為每一個電池單元進行冷卻,降低彼此的溫差,也相對降低了電池自燃的風險。

3熱管冷卻技術

1)熱管

 

熱管又稱熱導管或超導管, 是一種傳熱性極好的人工構件,分為蒸發段、絕熱段和冷凝段,在快速傳熱的方面,熱管擁有極強的優勢。

2)應用

熱管是一種較好的熱橋,以其多樣化的形式和靈活的布置位置結合其他強制冷卻方式,能在冷卻中獲得較好的效果,尤其是小型熱管技術的發展,能給動力電池的安全長效運行帶來更大的發展空間。

 

對電池熱管理系統的設計,一方面是在傳統的工作方式基礎上進行優化,提高其工作性能。另一方面更要在熱管等新材料的方面進行研究。對熱的有效控制是關系到性能持續提升和市場擴大的關鍵,這方面的發展將很大程度影響到新能源汽車的發展和推廣。

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