新能源動力電池熱管理方案設計和熱流體仿真

       動力電池作為新能源汽車的主要動力源，其對新能源汽車的重要性不言而喻。在實際的車輛使用過程中，電池會的面臨的使用工況復雜多變。

       在低溫下，鋰離子電池會出現內阻增大、容量變小的現象，極端情況更會導致電解液凍結、電池無法放電等情況，電池系統低溫性能受到很大影響，造成電動汽車動力輸出性能衰減和續駛里程減少。在低溫工況下對新能源車輛進行充電時，一般BMS先將電池加熱到適宜的溫度再進行充電的操作。如果處理不當，會導致瞬間的電壓過充，造成內部短路，進一步有可能會發生冒煙、起火甚至爆炸的情況。

       在高溫下，如充電器控制失效,可能會引發電池內部發生劇烈的化學反應,產生大量的熱,若熱量來不及散失而在電池內部迅速積聚,電池可能會出現漏液、放氣、冒煙等現象，嚴重時電池發生 劇烈燃燒且發生爆炸。

       電池熱管理系統 (Battery Thermal Management System, BTMS)是電池管理系統的主要功能，電池的熱管理主要包括冷卻、加熱以及溫度均衡等功能。冷卻和加熱功能，主要是針對外部環境溫度對電池可能造成的影響來進行相應的調整。溫度均衡則是用來減小電池組內部的溫度差異，防止某一部分電池過熱造成的快速衰減。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，用以保證電池系統的性能和壽命。

電池熱管理系統

熱管理系統的“V”模型開發模式

       熱管理系統作為動力電池系統的一個零部件，它的開發過程同樣遵循汽車行業V"模型開發模式，借助仿真工具以及通過大量的測試驗證，只有這樣才能提升開發效率，節省開發陳本以及保障系統可靠性、安全性和使用壽命。

       如下是熱管理系統開發的“V”模型，總體來看該模型由一橫一縱兩個軸組成：橫軸又由四條正向開發主線和一條逆向驗證主線組成，并以正向開發為主，兼顧逆向的閉環驗證；縱軸由零部件、子系統和系統三個層級組成。

熱管理系統開發的“V”模型

       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設計研究是電池系統設計中最關鍵的工作之一。必須嚴格按照電池的熱管理設計流程、電池的熱管理系統及零部件類型、熱管理系統的零部件選型及熱管理系統的性能評估等多個方面來進行電池系統熱管理的設計和驗證，才能保證電池的性能和安全性。

       1）熱管理系統要求，根據整車的使用環境、整車的運行工況和電池單體的溫度窗口等設計輸入參數進行需求分析，以明確電池系統對熱管理系統的需求；系統要求，根據需求分析確定熱管理系統所具備的功能以及系統的設計目這些設計目標主要包括對電池單體溫度、電池單體間溫差、系統能耗和成本的控制

       2) 熱管理系統框架，根據系統需求將系統拆分為冷卻子系統、加熱子系統、保溫子系統和熱失控阻隔( thermal runaway obstructin，TRo)子系統，并定義各子系統的設計需求，同時進行仿真分析以初步驗證系統設計

       3)子系統設計，首先根據系統設計確定每個子系統的設計目標，然后對每個子系統依次進行方式選擇、方案設計、詳細設計和仿真分析驗證

       4)零部件設計，首先根據子系統設計確定零部件的設計目標，然后進行詳細設計和仿真分析

       5)零部件制造與測試，進行零部件的生產制造，并進行測試驗證

       6)子系統集成與驗證，進行子系統的集成與測試驗證；

       7)系統集成與測試，進行系統的集成與測試驗證；

電池熱管理開發流程

       如下是電池熱管理在開發時的簡單的一個流程，共7個步驟，包括熱管理設計目標和要求，系統結構件的設計、仿真模型驗證，系統和整車測試驗證。

       l 電池熱管理系統主要要求如下：

1) 避免熱失控，有害氣體產生時的有效通風

2) 高溫環境中有效散熱

3) 低溫環境中迅速加速或者保溫

4) 減小電池溫度差異，保證電池溫度均勻性

5) 電池溫度的準確測量和監控

       l 動力鋰電池熱管理系統的設計目標有兩個：

1) 電池包內部維持在合理溫度范圍內；

2) 不同電芯溫差盡可能小。

l 電池生熱率

       在動力電池的仿真過程，電芯不同工況的發熱量是仿真的必不可少的邊界條件。那么如何確定電芯在不同工況下的發熱量，目前行業內主要通過如下3種方法：

1) ARC測試，數據準確，具備測試條件。但測試準確度對比熱容測試的結果準確度依賴性很大，且標準塊的測試誤差達到5%。因絕熱環境電池溫升較大，測試數據會偏低。

2) Bernardi理論計算數據相對較準確，已比較成熟，但需要實測的數據較多，包括工況數據，OCV數據，DE/DT數據，測試周期較長。

I：電流值，充電為正，放電為負；

U：電池端電壓；

E：電池開路電壓；

dE/dT：熵值系數

3) RC模型計算，但若可以建立準確的RC模型，就可以實現各種工況的產熱模擬，如下是二階等效電路模型：用內阻表示歐姆極化，RC電路表征濃差極化和電化學極化的綜合效果。

l 冷卻方式選擇

       熱管理系統的概念設計，在熱管理系統設計中，需要根據實際情況選擇合適的冷卻方式，

l 冷卻結構：

       對與液冷系統來說，液冷板工作的原理是:電池工作產生的多余熱量,通過與板型鋁質器件表面接觸的方式傳遞,液冷系統利用液體流動換熱系數較大的特性,依靠液體流動轉移高熱量,最終被器件內部流道中通過的冷卻液帶走。那么它的尺寸設計、流量設計、冷卻面積設計這里就不在細說。為了保證系統溫度一致性，冷卻結構設計利用仿真工具和試驗不斷的優化，可以從下面幾個方面進行優化：

a) 優化集流管

b) 調整冷板的寬度

c) 調整冷板的內部流通截

d) 調整主管道的管徑

e) 調整支路管道的管徑

l 液冷工質

      l 作為液冷系統的工作介質，對于動力電池系統，它的液冷工質是十分重要的，在選擇液冷工質時，需要從傳熱能力、黏度、使用溫度范圍、電絕緣性、腐蝕性、可燃性、毒性和費用等方面綜合考慮。

電池熱管理方案設計

       電池包的熱管理方案，涉及到三個方面的措施：電池組的冷卻、電池組低溫預熱、電池組保溫。

l 電池組的冷卻設計

       電池組冷卻的形式根據傳熱路徑主要有兩種，直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻，是冷卻介質直接從電芯表面流過，帶走多余熱量；間接冷卻，是冷卻介質在管道和散熱器的流道中流過，散熱器與電芯接觸，將電芯熱量傳遞給冷卻介質。

l 電池組的低溫預熱設計

       池組低溫預熱，有兩種基本形式：內部加熱和外部加熱。

       內部加熱：利用電池包外部的交流電源，給電池電解液加熱，直至達到電池包適用的溫度范圍為止。生熱的部件是電池自身，因此稱為內部加熱。

       外部加熱：利用外部電源，給電池以外的介質加熱，介質將熱量傳遞給電池，逐步提高電池溫度，直至電池適宜的溫度范圍。外部介質包括空氣介質和液體介質，生熱的元件PTC和加熱膜等。

       如下是電池低溫預熱加1c放電情況下的檢查點溫度和溫差變化，大家可參考理解電池系統在低溫下的溫度變化

l 電池組保溫設計

       在低溫地區應用的動力電池包，箱體一般需要設計保溫措施，用來減緩預熱熱量的散失。防止行車途中短時停車時，電池再次降低到工作溫度以下。一般從模組的保溫和系統的保溫兩方面進行設計。保溫措施并不是每臺具備熱管理功能的車輛都設置的。車輛預熱，電池包進入工作狀態以后，電池自身會產生大量的熱，如果不是極寒環境以及沒有長時間停車的需要，則電池包運行溫度可以依靠自身發熱維持。

電池熱管理CFD仿真

       鋰電池Pack設計中往往會借助熱流體仿真分析來輔助工程師完成pack熱管理系統設計，在熱管理系統設計階段，可對Pack、模組或電池進行熱場仿真分析，電池熱管理仿真流程主要基于產品數模對其進行必要的簡化（前處理），再對數模進行離散處理（劃分網格），然后對系統施加一定的邊界條件和選取適合的計算模型后，交由仿真軟件進行計算，最后對計算結果進行相應的處理，提取相關數據用于編寫分析報告（后處理）。

      本文來源： 新能源熱管理技術   版權歸原作者所有，轉載僅供學習交流，如有不適請聯系我們，謝謝。 

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