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汽車電芯熱管理設(shè)計(jì)
2021-12-09 09:42:19· 來(lái)源：驅(qū)動(dòng)視界
一、不同電芯熱管理介紹熱管理的意義:人們對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程、充電時(shí)間的要求越來(lái)越高，行之有效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對(duì)于提高電池包整體性能具有重要意義。熱管理
一、不同電芯熱管理介紹
熱管理的意義:
人們對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程、充電時(shí)間的要求越來(lái)越高，行之有效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對(duì)于提高電池包整體性能具有重要意義。
熱管理想要達(dá)到的效果：
Pack內(nèi)熱過(guò)程
熱管理系統(tǒng)的分類
各熱管理系統(tǒng)具有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)以液體熱管理系統(tǒng)為主流
不同電芯介紹
圓柱電芯模組
特斯拉圓柱電芯模組
國(guó)內(nèi)某圓柱電芯模組
方形電芯模組
1-端板； 2-引出支座 3，4-正負(fù)極保護(hù)蓋；
8-蓋板； 9-導(dǎo)電排； 10-線束板；
14-側(cè)板； 15-隔熱墊； 16-底板。
軟包電芯模組
某L電池模塊
電池粘接于殼體上，該殼體由塑料件和鋁鈑金件（厚度0.35mm）組合而成（塑料鉚接），鋁板的結(jié)構(gòu)便于將電池的熱量轉(zhuǎn)移至邊緣處，易于實(shí)現(xiàn)模塊的散熱，塑料件用于絕緣以及相互卡接形成一個(gè)電池單元
某S電池模組
外部鋁端板，電池通過(guò)上下端板和塑料壓板固定
軟包模組
軟包模組主要零件：端板、蓋板、導(dǎo)電排、散熱板、緩沖墊、NTC
散熱單元
爆炸圖
圓柱電芯熱管理
冷卻管道內(nèi)部被分成四個(gè)孔道，為了防止冷卻液流動(dòng)過(guò)程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動(dòng)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，冷卻管道的兩個(gè)端部既是進(jìn)液口，也是出液口。
電池之間及電池和管道間填充電絕緣但導(dǎo)熱性能良好的材料（如Stycast 2850ct），其作用使（1）將電池于散熱管道間的接觸形式從線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，增大傳熱效率；（2）促進(jìn)電池間熱交換，有利于提高單體電池間的溫度均一度（相當(dāng)于被動(dòng)熱均衡）；（3）提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫升。
方形電芯熱管理
寶馬直冷熱管理系統(tǒng)
冷板溫度分布
某W電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
內(nèi)部搭載有32個(gè)VDA模塊，每四組模塊共用一個(gè)冷板，冷板與冷板之間通過(guò)管路并聯(lián)連接，使系統(tǒng)溫度性能最優(yōu)，其中冷板采用攪拌摩擦焊冷板，冷板和管路通過(guò)快插連接。
軟包電芯熱管理
不同電芯熱管理比較分析
相同之處：
1、通過(guò)增加散熱通道，提高散熱效率；
2、通過(guò)使用高導(dǎo)熱介質(zhì)，提高導(dǎo)熱速率；
3、通過(guò)主動(dòng)冷卻方式；
導(dǎo)熱和散熱
不同之處：
1、采用的導(dǎo)熱介質(zhì)不同；
2、散熱路徑和散熱通道不同；
3、散熱面積及有效散熱面積比不同；
4、冷卻介質(zhì)也有不同；
5、冷板布置方式不同；
6、散熱器效果不同。
二、電芯熱管理設(shè)計(jì)
客戶輸入
冷卻要求：
高溫環(huán)境，告訴工況冷卻，電池溫度不允許超過(guò)45攝氏度；
高溫環(huán)境，爬坡工況（10%坡度）冷卻，電池溫度不允許超過(guò)45攝氏度；
高溫環(huán)境，快充工況冷卻，電池溫度不允許超過(guò)45攝氏度；
加熱要求
-20攝氏度低溫環(huán)境，加熱至0攝氏度，時(shí)間30min;
-30攝氏度低溫環(huán)境，加熱至0攝氏度，時(shí)間50min；
溫差要求：冷卻：<5攝氏度，加熱：<10攝氏度；
保溫要求：高溫和低溫24H溫度保持情況
根據(jù)客戶輸入轉(zhuǎn)化為不同工況電池的充放電倍率發(fā)熱功率。
發(fā)熱功率估算
電池發(fā)熱功率的表達(dá)式為：
式中：U為電池開(kāi)路電壓；I為電池電流；V為電池負(fù)載電勢(shì)，以上三項(xiàng)分別表示不可逆內(nèi)阻熱、可逆熵?zé)岷突旌蠠帷?/span>
隨后Thomas和Newman證實(shí)，在電池的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果減小極化濃度差，混合熱可以忽略不計(jì)，公式(1)簡(jiǎn)化為：
目前多采用此方法，但是根據(jù)發(fā)熱功率影響因素一定要確定哪個(gè)SOC、哪個(gè)溫度、哪個(gè)充放電倍率下的內(nèi)阻。
一般情況下會(huì)給出50%SOC25℃1C充放電下的內(nèi)阻，但在充放電末端內(nèi)阻值會(huì)變大，發(fā)熱功率也會(huì)變大。
其他發(fā)熱功率估算方法：
依據(jù)充放電能量效率計(jì)算：
依據(jù)充放電電壓曲線及SOC~OCV曲線計(jì)算；
發(fā)熱功率估算
電芯溫度情況
熱管理初步設(shè)計(jì)—導(dǎo)熱
導(dǎo)熱材料主要關(guān)注點(diǎn)：
導(dǎo)熱性能、密度、阻燃性能、絕緣性能、熱穩(wěn)定性、壓縮回彈性、拉伸和耐磨性能、粘接性、使用溫度、耐久性
在模塊中應(yīng)用石墨片后對(duì)加熱速率影響不大，沒(méi)有加快加熱速率；
使用石墨片后加熱過(guò)程溫差變小，極柱間溫差可減小近2攝氏度，電池組最大溫差可減小1.5攝氏度，均溫效果明顯。
熱管理初步設(shè)計(jì)—散熱
熱管理初步設(shè)計(jì)—冷板支撐結(jié)構(gòu)
仿真分析
仿真要求：
根據(jù)邊界輸入，進(jìn)行流場(chǎng)和溫度流場(chǎng)仿真，包括壓力情況、速度情況、流量情況、不同工況的溫度情況。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：
1、對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；
2、了解熱管理真是性能；
3、比較模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距；
4、根據(jù)結(jié)果分析，提出優(yōu)化方案。
隔熱保溫設(shè)計(jì)
從目前電池系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，采用液冷系統(tǒng)越來(lái)越多，因此箱體隔熱設(shè)計(jì)越發(fā)重要。
意義：
1、保持系統(tǒng)內(nèi)部溫度，有利于低溫充放電，延長(zhǎng)使用壽命；
2、保持系統(tǒng)內(nèi)部溫度，降低高溫路面熱輻射對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部溫度的影響；
3、外部出現(xiàn)火燒或者高溫時(shí)，保持電池包內(nèi)部正常溫度，延緩電池?zé)崾Э?，提高安全性?/span>
4、在電芯發(fā)生熱失控時(shí)，能起隔熱作用，抑制熱擴(kuò)散，延緩事故發(fā)生；
5、在電芯發(fā)生齊活時(shí)，延緩火勢(shì)蔓延，增加逃生時(shí)間。
常見(jiàn)保溫材料：
泡棉（包括PU、CR、EVA和PE等）、絨毛毯、二氧化硅氣凝膠、發(fā)泡硅膠、成瓷隔熱片、石墨烯隔熱等。
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