電動汽車動力系統熱管理和熱仿真
----知識體系概要
 
Thermal Management and Thermal Simulation for Advanced Electric Vehicle
 
space ,bluewind

 
目錄
電動汽車動力系統熱管理和熱仿真... 1
一、需求分析... 3
1.1 熱管理知識體系及方案... 3
1.2 熱仿真分析體系... 3
1.3 電動汽車熱管理全景圖... 3 
二、動力電池系統熱管理... 4
2.1 概述... 4
2.2 動力電池熱管理系統功能及目標設置... 4
2.2.1 功能... 4
2.2.2 熱管理目標... 5
2.3 動力電池熱管理技術概述... 5
2.3.1 動力電池結構及熱特性參數... 5
2.3.2 熱管理系統的硬件構成... 8
2.3.3 熱管理策略（控制系統）... 13
2.4 熱管理系統仿真的知識體系... 15
2.4.1 材料及器件屬性... 15
2.4.2 熱管理系統類型... 15
2.4.3 邊界條件及工作模式... 16
2.4.4 熱管理系統調節作用的影響... 16
2.5 熱分析工具及硬件配置... 16
2.5.1 軟件工具... 16
2.5.2 計算機硬件配置... 17
2.6 熱管理系統方案設計... 17

三、電機和驅動器熱管理... 19
3.1 電機熱管理簡介... 19
3.2 電機熱仿真分析... 20
3.2.1 驅動電機電磁損耗分析... 21
3.2.2 冷卻系統參數確定及參數敏感性分析... 21
3.3.3 不同載荷工況下的熱分析及驗證... 21
3.4 功率器件熱分析... 22

四、討論... 23
 
一、需求分析 1.1 熱管理知識體系及方案

• 關于電機和動力電池的熱管理仿真，需要的資料、參數等。
• 提供設計方案。

1.2 熱仿真分析體系
構建熱管理仿真體系，針對研發人員能力、軟硬件資源，需要哪些要求、標準。提供具體仿真分析方案。
1.3 電動汽車熱管理全景圖
電動汽車熱管理包括電池包熱管理系統、電機熱管理系統和功率器件（逆變器/驅動器）熱管理系統，如下圖所示。

電動汽車熱管理系統
采用何種熱管理系統方案，主要取決于采用電池包的類型、數量及其熱特性、電池包在整車中的布局，安全性考慮，軟件控制策略等等。
以下將針對電動汽車熱管理系統涉及的三個方面作簡單介紹，以期構建出電動汽車動力系統熱管理涉及的知識系統，并簡要說明熱仿真所能扮演的角色。
二、動力電池系統熱管理
2.1 概述
動力電池作為電動汽車的動力來源，是提高整車性能和降低成本的關鍵一環，其溫度特性直接影響電動車的性能、壽命和耐久性。目前應用較為廣泛的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰電池。鋰離子電池因比能大、循環壽命長、自放電率低、允許工作溫度范圍寬、低溫效應好等優點是電動車目前首選的動力電池。
不同電池主要參數對比


 
鋰離子電池包熱管理的要求是根據鋰離子電池發熱機理，合理設計電池包結構，選擇合適的熱管理方式，合理設計熱管理策略，保證電池包內各個單體電池工作在合理溫度范圍內的同時盡量維持包內各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。
2.2 動力電池熱管理系統功能及目標設置
2.2.1 功能
電池組熱管理系統有如下五項主要功能：

1. 電池溫度的準確測量和監控
2. 電池組溫度過高時，熱量的有效排散
3. 低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作
4. 有害氣體產生時的有效通風
5. 保證電池組溫度場的均勻分布

2.2.2 熱管理目標
熱管理目標（Thermal Management Targets）保證實現電動汽車能安全穩定運行的設計指標，是熱管理系統設計的綱領性文件，起指導作用。
熱管理目標的設置既有熱管理系統自身的專項技術指標，也有整車設計中其他各項內容綜合考量（如與其余分系統的協調，系統的操作便捷性、安全性、成本控制等）對熱管理系統提出的要求。
熱管理目標的設置需要考慮以下幾個方面：

• 保證在不同使用工況下，電池包在安全運行溫度范圍之內
• 可靠性要求（碰撞、外部火燒、涉水、極端高低溫等場景）
• 電池包整體溫度均勻性指標
• 使用性能要求（如大充電功率下電池包的快速充電性能，高低溫環境中的長續航時間）
• 溫控的響應時間指標（快速冷卻或快速加熱）
• 熱管理系統的能效指標（流體冷卻回路流量及壓降參數）
• 智能化控制要求
• 系統成本考慮（經濟性）
• 維護便捷性

2.3 動力電池熱管理技術概述
2.3.1 動力電池結構及熱特性參數
動力電池自身的結構形式和熱特性參數，共同確定了熱分析模型中的熱源特征。動力電池也是熱分析中最重要的分析對象。因此，要實現動力電池包的高效熱管理，需要對其結構特征和不同工況下的熱特性參數進行細致分析。
2.3.1.1 單體電池結構及熱特性參數
先從單體電池的結構和熱特性參數入手。目前單體電池的常見結構有圓柱形和塊狀（片狀）兩種。這兩種電池結構在電動汽車的電池包中均有應用，如特斯拉和戴姆勒電動汽車采用的是圓柱形的鋰離子電池，而尼桑和通用汽車等采用的是塊狀（片狀）鋰離子電池。通過對兩種不同結構形式的電池進行巧妙的熱控硬件設計，均可實現高效可靠的熱管理。


左：單體鋰離子電池   右：方塊形鋰離子電池內部熱源的結構形式


圓柱形鋰離子電池的結構示意圖
單體動力電池的產熱行為較為復雜，既與電池本身的電化學特性有關，又與電池結構形式，以及充放電條件、外界環境溫度等多因素相關。
鋰離子電池在充放電期間排散熱量受開路電壓與工作電壓的差異、焓值、熱容變化的影響， 動力電池系統的熱產來源主要有以下幾個方面：

1. 反應熱Qr
2. 電池極化引起的能量損失Qp
3. 電池內電解液分解和自放電副反應引起的能力損失Qs
4. 電池電阻產生的焦耳熱Qj

因此，電池總發熱量Qa可用下式表示：
Qa=Qr+Qp+Qj+Qs
因而，要獲得電池包精確的熱仿真結果，進行定量分析，就需要向廠商索取不同工況下的熱特性，明確熱源的產熱機理。這是電池熱管理的最重要的環節之一。
2.3.1.2 電池包結構
動力電池包由大量單體電池構成，其結構形式由單體電池結構及使用數量，電氣連接方式，冷卻方式，整車結構布局等多種因素相關。動力電池包的結構設計涵蓋電、熱/流、機等多個方面，需要進行一體化設計。在確定初步方案后，還需進行多次迭代計算，相互協調，以滿足整體空間分配、熱控需求、電氣特性等多方面要求后，確定最終設計方案。
由于動力電池包的熱控分系統伴生于電池包結構中，要對熱管理系統進行熱/流仿真分析，前提就是必須獲得詳細的結構信息及與之配套的熱控硬件設計方案。下圖是幾種典型電動汽車的動力電池包結構形式，熱管理硬件與結構設計完美融于一體。
  

幾種典型車型的動力電池包結構
 在電池包結構設計期間，熱設計人員應全程參與，以便實現熱管理功能與結構功能的高度耦合。同樣，在熱仿真分析中需要提供電池包結構的詳細三維模型，各部件材料物性參數等。
2.3.2 熱管理系統的硬件構成
2.3.2.1 冷卻系統
電池工作的溫度環境要滿足特定的要求，如磷酸鐵鋰電池的一般環境溫度為-20℃～60℃。電池在充放電過程中會不斷地產生熱量，如不及時排散這些熱量，電池內部溫度很容易過熱，甚至出現熱失控。因此，電池包的冷卻系統必不可少。
根據冷卻介質的不同，冷卻系統可分為空氣冷卻（風冷）、液體風冷和相變液冷。這三種冷卻方式的散熱能力是依次增強，冷卻系統的復雜度也依次增加。現階段，相變冷卻成本比較高，目前工程技術上常采用空氣冷卻和液體冷卻兩種方式。

（1）風冷模式
主要是強制冷風流經電池表面進行換熱冷卻。這種方案受外界環境影響比較大，特別是高溫天氣下，還需要從乘員艙引入冷風。氣體的密度很小，體積熱容較小，需要較大的流量才能實現高效換熱，整體換熱效率比較低；另外，因入口風溫比較難控制，故電池溫度也比較難控制。這種冷卻方式的優點在于系統成本很低，技術成熟度也較高，在某些電池模組用量較少的混合動力車型中仍有采用。
 



（2）液冷模式
冷媒（液冷的介質）可采用純水、50%乙二醇水溶液、純乙二醇、空調制冷劑工質等等。液冷模式的系統結構如下圖所示。一般會增加一個換熱器與制冷循環耦合起來，通過制冷劑將電池的熱量帶走。
整個系統主要包括：泵，換熱器，電池散熱板，PTC加熱器、膨脹水箱。電池需要冷卻時，電池通過散熱板與冷卻液進行換熱，加熱后的冷卻液被電子水泵送入換熱器內，在換熱器內部一側通入制冷劑，一側通入冷卻液，兩者在換熱器內充分換熱，熱量被制冷劑帶走，冷水流出換熱器在流入電池，形成循環。電池需要加熱時，關閉制冷回路，開啟PTC加熱器，冷卻液被加熱后送入電池內部，通過散熱板加熱電池。可以通過控制制冷回路通斷以及控制PTC加熱功率，來控制冷卻熱的溫度，從而控制電池內部溫度。此種方案系統比較復雜，成本較高。

 
    液冷模式的熱管理系統原理

（3）空冷/水冷混合冷卻系統
空冷/水冷混合冷卻系統原理如下圖所示 。空冷/水冷混合冷卻系統中有兩個關鍵零部件：一個是水冷的電池冷卻器，另一個是空冷的電池散熱器。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，但此系統復雜、成本高、控制復雜且可靠性要求高。
 

風冷、水冷混合系統冷卻原理圖

冷卻系統還可根據能量提供的來源，分為主動冷卻和被動冷卻。通常被動冷卻系統直接將電池內部的熱空氣排出車體，而主動冷卻系統通常具有內循環系統，并根據電池系統的溫度進行主動調節，以達到最佳熱控效果。被動冷卻形式具有結構簡單、零部件數量少、成本低等優點，被廣泛用于電池冷卻系統設計中。
根據鋰離子電池產熱原理，傳熱冷卻方式，及風冷散熱和液冷散熱方案性能比較，一般而言，液冷散熱效果要好于風冷，液冷散熱將是未來適合復雜工況的大功率鋰離子動力電池熱管理的重要研究方向。但對于小型、短程、使用環境較為友善的電動汽車，其熱管理強度相對較小，仍有風冷使用的場合。針對特定的車型，仍需要具體分析，以確定最合適的熱管理方式。
2.3.2.2 加熱系統
加熱系統是為了滿足在低溫環境下能夠使電池能正常充電。由于汽地域適用性較為廣泛，在寒冷地區要使電動汽車能正常使用，必須電池加入額外的加熱系統以滿足要求。
加熱系統主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件為核心部件。常見的加熱元件有正溫度系數（PTC, Positive Temperature Coefficient）加熱元件和恒定電阻加熱元件，后者通常由金屬加熱絲/箔組成的加熱膜，譬如硅膠加熱膜、聚酰亞胺撓性電加熱膜等。PTC加熱元件由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。
2.3.2.3 隔熱保溫系統
保溫系統更多的情況下是為了滿足短期內電池系統內部溫度熱環境在正常區間內。保溫系統設計通常采用保溫材料或者保溫漆等，起到隔絕的作用，防止電池系統內部溫度過快的散發。在寒冷地區一般從兩個方面出發進行設計，分別是電芯加熱和箱體保溫方案，電芯加熱方案就是采用加熱器加熱電池本身。


箱體隔熱的意義在于：

1. 保持系統內部溫度，有利于低溫充放電，延長使用壽命；
2. 保持系統內部溫度，降低高溫路面熱輻射對系統內部溫度的影響；
3. 外部出現高溫（如燃燒）時，保證電池包內正常溫度，延緩電池熱失控導致爆炸，提高安全性。

從目前電池系統的發展趨勢來看，采用液冷系統越來多，因此箱體隔熱設計越發重要。常用的保溫材料有絨毛氈（0.05 W/m·K）、聚氨酯泡棉（0.03 W/m·K）、二氧化硅氣凝膠（0.02 W/m·K）等。氣凝膠隔熱效果最好，但成本較高，現階段仍不適合大規模應用。另外，在對箱體鋪設泡棉或氣凝膠隔熱材料時，不可避免地需要拼接，工藝實施性不佳。而聚氨酯可直接在箱體內發泡成型，嚴密貼合，實現最佳的隔熱效果。下圖顯示的是一種采用聚氨酯發泡成型的電池艙。
 

2.3.2.4 均熱（溫）系統
由于電池組中單體電池是互相串聯的，任何一只電池性能下降都會影響電池組的整體表現。溫度均勻性對動力電池的性能至關重要。當電池溫差為5℃、10℃、15℃時，相同充電條件下電池組的荷電態分別下降10%、15%、20%。
為了保證各個電池的使用過程中溫度均勻性，在采用主動散熱和被動散熱時通常需要在電池包內部設置流道或者風道，實現電池包的溫度均勻性。目前的方式存在兩個缺點：1、電池包安裝復雜，結構制造難度較大，成本高；2、需要較大的泵功率。
均熱系統還可以利用熱管，高導熱材料等手段實現。
目前在對電動汽車動力電池的熱管理中，應用熱管作為均熱的應用研究還不多，真正投入實際應用的幾乎還沒有，但包括特斯拉在內的電動汽車巨頭已經申請了采用熱管的電池包熱管理系統。可使用的熱管主要包括回路型重力熱管，脈動熱管、燒結熱管和平板環路熱管。
我們提出一套均溫方案，針對塊狀（片狀）電池包可實現溫度均勻度在±1.5℃以內。該方案可用于電池包的均溫處理，具有結構簡單，成本低廉等一系列優點。
2.3.2.5 結構布局
電池箱內電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關系。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構布置和散熱設計時，要盡量保證電池組散熱條件的均衡一致。
如下圖所示，不同車型中的動力電池包采用安裝方式和空間布局也各不相同，可以為前置，后置，側置，還有較為流行的T型布局等。根據電池包安裝布局方式的不同，其熱管理的方法和方式也應作相應調整。

不同類型電動汽車系統布局圖

下圖為一種電池包偏后置的布局方式，電池包的液冷冷卻回路與車頭位置的風冷換熱器相連。由于是后置，用于連接的管道較長，沿程阻力損失較大，對泵的功率要求會偏高。電池包的布局對熱管理系統的影響，從此例中可窺一斑。
 

2.3.3 熱管理策略（控制系統）
熱管理控制策略的功能是對電池包內個電池模塊溫度的監控，并自動根據相應算法對熱管理系統中冷媒的流速/流量，壓力，風扇轉速等目標進行調節，實現高效、快速、可靠的熱管理任務。同時，用盡量精簡的控制手段，最少的能量損耗實現控制任務，達到節能環保的目的。
下圖為特斯拉某型電動汽車的電池包熱管理系統，其系統采用模糊智能邏輯實現了電池包高效的溫度管理和能量管理。
 

特斯拉某型電動汽車的電池包熱管理系統
 
熱管理控制策略中的參數設置應與相應的熱控硬件能提供的能力相匹配。相關參數的設置，可以通過熱流仿真分析來確定。根據熱流仿真分析結果，提取關鍵的熱管理參數，為熱管理軟件控制系統提供參考。
同樣，對于已經設計完畢的熱管理硬件系統，仍然可以根據熱流分析來優化流速，壓力、風扇轉速等參數，以最經濟的配置實現熱管理目標。
值得注意的是，目前大多數商用軟件在設置控制策略方面的功能（如根據設置的目標溫度，利用PID算法自主調節冷卻介質的流量）較弱。在這一方面，在航天領域應用廣泛的NX Thermal/Flow擁有較強的控制算法設置功能。
 
2.4 熱管理系統仿真的知識體系
2.4.1 材料及器件屬性

• 熱管理系統中各種材料在工作溫區的各項基本物理屬性，尤其是熱物理屬性，主要包括：密度、熱導率（導熱系數）、比熱容、相變特性（相變溫度范圍、相變潛熱等）。涉及的材料/器件主要包括：
• 熱管理硬件系統的結構件
• 均溫/冷壁材料
• 隔熱保溫材料
• 冷媒（冷卻介質，如空氣、水，其他工質）
• 電池熱特性
• 充、放電熱特性
• 不同驅動功率下的熱特性
• 不同負載條件下的熱特性

2.4.2 熱管理系統類型

• 冷卻方式選擇
• 主動冷卻或被動冷卻
• 風冷、液冷或風冷/液冷復合
• 電池組結構布局
  • 前置
  • 后置
  • 側置
  • T型布局
  • 其他

2.4.3 邊界條件及工作模式
電動汽車在不同工作模式（高溫工況、低溫工況、極端熱流密度工況）的熱邊界條件各不相同。
 

 
2.4.4 熱管理系統調節作用的影響

• 控制策略功能及分類
• 溫度調節算法

2.5 熱分析工具及硬件配置
2.5.1 軟件工具
2.5.1.1 系統級熱管理系統分析
系統級熱仿真分析軟件主要用于模擬熱管理系統的性能分析，對各個環節的性能配置進行優化設計。系統級熱分析軟件主要有：

• MotorSolver /FlowMaster
• MATLAB/SIMULINK

某型電動汽車熱管理系統的一維熱仿真模型
2.5.1.2 三維熱流分析
CFD軟件或具有CFD功能模塊的軟件平臺。

• Star CCM+：是一款通用的CFD商業軟件，特別之處在于擁有蓄電池分析模塊。該軟件現已經被Siemens公司收購，將集成于NX平臺。
• Fluent：集成于ANSYS平臺，也是一款通用的CFD商業軟件，流場分析功能強大，對于復雜系統前處理工作非常耗費時間。
• Comsol：多物理場分析軟件巨頭，擁有電池從電化學反應到熱/流分析等一系列功能模塊。
• FloEFD：工程流體分析軟件，流場分析具有一階精度。該軟件使用方便，可解決大多數的工程熱流分析問題。
• Flotherm與Icepak：均為電子設備熱分析專業軟件，擁有完善的電子設備熱分析相關的工程數據庫，適于電子設備（器件）的熱分析。
• NX Thermal/Flow (Advanced)：為航天領域最常用的軟件模塊，在滿足常規熱流分析問題的基礎上，具有恒溫控制程序和復雜的熱流邊界條件自定義的功能，可用于熱管理系統的優化設計。

2.5.2 計算機硬件配置
根據資金寬裕程度，計算機配置越高，越早獲得求解結果。
2.6 熱管理系統方案設計
高效的熱管理方案設計，需要建立在系統的功能需求的詳盡、透徹分析的基礎上。綜合考慮電池產品特征、各項技術難度、工藝可實施性、造價等。
現有的電池包熱管理系統既有少量的強迫風冷散熱方式，更多的是采用液冷。各大汽車廠商均申請了電動汽車動力電池熱管理方面的專利。現已公布的動力電池熱管理方案比較典型的有特斯拉、通用汽車、寶馬，均采用直接膨脹式冷卻基板的原理，但在結構形式上各不相同。
以下展示的特斯拉和通用汽車公司申請的電池熱管理專利（群）。其余廠商也有相應的熱管理專利，在此不作詳細闡述。
 


 
不可避免地，熱管理方案的設計要植根于具體的電池形式（圓形或方塊，使用數量，組裝方式），安裝結構的整體設計，熱管理方式的選擇，工藝可實施性和費用等因素。在確定了上述若干主要因素后，可展開迭代設計。
在為新型電動汽車的動力電池設計熱管理系統時，可以借鑒原理，理解其熱管理方案設計的核心思想和關鍵技術指標，然后進行合理優化改進，以避免侵犯他人專利權，而掉入專利陷阱。
目前，我們已有一套結構簡單、實用性較強的熱管理硬件系統方案，可配合新能源汽車廠商進行推廣應用。

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