电动汽车电池包热管理系统设计方法

AutoEngineer-28-2009(10)技术聚焦FOCUS设计·创新电池包作为电动汽车上装载有电池组的主要储能装置，是电动汽车的关键部件，直接影响电动汽车的性能。锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和寿命长等优点，目前在电动汽车电池包中得到良好应用。由于车辆上空间有限，电池在工作中产生的大量热量受空间影响而累积，造成各处温度不均匀从而影响电池单体的一致性。因此将降低电池充放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响系统安全性与可靠性。为了使电池组发挥最佳的性能和寿命，需要优化电池包的结构，设计电池包热管理系统（BTMS，BatteryThermalManagementSystem）。1热管理系统设计流程1.1热管理的主要功能1）保持电池的温度均衡；2）降低电池包中温度分布不均，以避免电池间不平衡而降低性能；3）消除与失控温度有关的潜在危险；4）通过使用空气、液体与电池直接或间接接触来主动或被动加热/冷却电池包；5）提供通风，保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出，从而保证电池能够安全运行[1]。1.2BTMS设计目标和制约因素1）选定合适类型的电池。考虑整车的运行气候环境，以保证电池包中电池在适宜温度下运行。了解电池正常运行的平均运作温度，例如：锂离子一般平均运作温度为-20～60℃，正常运行的最适宜温度为30℃。2）根据具体不同类型车辆（EV、并联HEV及串联HEV）的电动机以及发动机的功率分配，利用PSAT或ADVISOR等软件进行动力学仿真，计算出所需电池总数目。根据电压电流需求分析采取几串几并的电池排列方法，同时考虑是否采用模块化进行管理（即将几个电池组成一个模块密集摆放）。模块内由于电池数量较少，内部温差较小，通过在模块外表包覆隔热材料减少模块间的相互影响，保证各模块的均匀性。这样就能减少由于大量电池密集排列而产生的中间温度高、边缘温度低、最高温与最低温之间温车杜兰1周荣2乔维高1（1.武汉理工大学汽车工程学院；2.中国汽车技术研究中心）摘要：电池包的热管理是电动汽车和混合动力电动汽车在所有气候条件下有效运行必不可少的。文章介绍了电池组热管理系统的功能，电池组热管理系统设计的一般流程和采用的方法，分析了温度对电池组性能和寿命的影响。指出按照合理有序的步骤和方法设计，能更加有效地设计出合理的热管理系统，提高电池包的性能和寿命周期，并缩短设计周期，避免不必要的重复工作。关键词：电池包热管理系统；设计方法；电动汽车；混合动力电动汽车DesignMethodofBatteryThermalManagementSystemonEVAbstract:ThermalManageSystemofbatterypackinEVorHEVisnecessarytooperateeffectivelyattheallclimaticconditions.Thispaperintroducesthefunctionsofthethermalmanagementsystemofbatterypack,theordinarydesignprocessandmethodsofthethermalmanagementsystem.Thepaperanalyzestheinfluenceontheperformanceandlifespanofbatterypackthatexertedbytemperature,indicatingthataccordingtoreasonableprocessanddesignmethods,weareabletodesignarationalthermalmanagementsystemeffectivelysoastoenhancetheperformanceandlifespanofthebatterypack.Wecanshortenthedesigncircleandavoidtheunnecessarywork.Keywords:Batterythermalmanagementsystem;Designmethod;EV;HEV.电动汽车电池包热管理系统设计方法AutoEngineer-29-第10期技术聚焦FOCUSDesign-Innovation差较大，从而导致电池间不均衡的现象。3）根据电池的几何形状和数目，结合车上可装载电池的有效空间，基于有利于散热的原则初步确定电池的摆放。一般纯电动汽车由于电池数量需求较大，电池包发热量也较大，但由于空间有限，一般选择车辆底板放置，而此处受环境温度的影响较大，就需要更有效地热管理。而在后备箱中放置，受外界影响较小，温度环境变化较小一点。4）确定电池包以及电池模块内可接受的温差范围。模块由于大小和类型不同，可接受的温度范围也不一样。一般小模块最多可接受温差为2～3℃，大模块正常运行可接受的最大温差为6～7℃。由于车辆类型（EV，HEV）不同，电池包大小不同，整体可接受温度范围也不一样。有的小电池包的正常运行内部能够允许2～3℃的温差（例如串联HEV电池包），有的大电池包（如EV、并联HEV电池包）能够允许7～8℃的温差。1.3测量和估计电池的生热率以及热容量1.3.1测量和估计电池的生热率车辆不同运行状态下，电池工作状态不同，生热速率也不同。电池产生的热量主要取决于电池的类型、电池工作状态（充电/放电）、电池荷电状态（SOC）及环境温度条件等。这是由于电池内部的生热率受工作电流、内阻及SOC等的影响。实验证明，初始温度的不同和荷电状态不同，电池的生热速率也不相同。某电池在不同放电速率和不同温度下的发热量，如表1所示。表1某电池不同状态下的发热量W/cell放电倍率SOC0℃22～25℃40～50℃1C倍率放电80%～50%0.60.04-0.185C倍率放电80%～50%12.073.501.22实际过程中可以通过热量计衡量，也可以根据电能平衡来估计产生的热量。在估计生热率时，目前常用的是bernardi生热速率模型。生热率00[()]bdUIqUUTVdT=−+估算公式为：00[()]bdUIqUUTVdT=−+（1）式中：00[()]bdUIqUUTVdT=−+——电池单体体积；00[()]bdUIqUUTVdT=−+——充放电电流；00[()]bdUIqUUTVdT=−+——电池单体电压；00[()]bdUIqUUTVdT=−+——电池开路电压；00[()]bdUIqUUTVdT=−+——温度；00[()]bdUIqUUTVdT=−+——温度系数；00[()]bdUIqUUTVdT=−+，00[()]bdUIqUUTVdT=−+——焦耳热和可逆反应热。1.3.2测量和估计电池的热容量一个电池的热容量取决于电池类型、SOC、电池工作状态及环境温度条件等。热容量随着温度和SOC等的变化而变化，这是由电池材料以及电池电化学反应的特性决定的。可以通过对组成成分材料的热容加权平均进行估算，也可用热量计测量来获得电池的热容量。平均加权估计一般采用式（2）计算：CCm1ipiim=∑（2）式中：CCm1ipiim=∑——电池单体的比热容；CCm1ipiim=∑——电池单体的质量；CCm1ipiim=∑——电池单体每种材料的质量；CCm1ipiim=∑——电池单体每种材料的比热容。1.4预测电池包的热场及温度在这个步骤中，需要充分利用热力学和传热学的理论知识，分析电池包中各单体内部以及电池之间的生热和传热原理，并制定出电池热理论模型。应用有限元等软件和数值计算方法等对电池热场及温度进行预测计算。电池生热模型[2]：Cq=+++222222pxyzTTTTtxyzρκκκ∂∂∂∂∂∂∂∂（3）式中：Cq=+++222222pxyzTTTTtxyzρκκκ∂∂∂∂∂∂∂∂——电池平均密度；Cq=+++222222pxyzTTTTtxyzρκκκ∂∂∂∂∂∂∂∂——电池的质量定压热容；T——温度；t——时间；Cq=+++222222pxyzTTTTtxyzρκκκ∂∂∂∂∂∂∂∂，Cq=+++222222pxyzTTTTtxyzρκκκ∂∂∂∂∂∂∂∂，Cq=+++222222pxyzTTTTtxyzρκκκ∂∂∂∂∂∂∂∂——电池内部沿x轴、y轴、z轴方向的热导率；Cq=+++222222pxyzTTTTtxyzρκκκ∂∂∂∂∂∂∂∂——单位体积热量产生速率。式（3）左侧表示单位时间内电池微元体热力学能的增量，右侧前3项表示通过界面的传热而使电池微元体在单位时间内增加的能量，右侧最后一项Cq=+++222222pxyzTTTTtxyzρκκκ∂∂∂∂∂∂∂∂为电池微元体的生热速率。初始条件：0(,,,0)TxyzT=（4）式中：0(,,,0)TxyzT=——电池初始温度。由牛顿冷却定律给出边界条件：22()xTTTxκα∞∂−=−∂，x=0和l（5）2y2()TTTyκα∞∂−=−∂，y=0和b（6）AutoEngineer-30-2009年10月技术聚焦FOCUS设计·创新22()zTTTzκα∞∂−=−∂，z=0和h（7）式中：22()zTTTzκα∞∂−=−∂——电池与外界热交换系数；22()zTTTzκα∞∂−=−∂——环境温度；l，b，h——电池的长度、宽度和高度。通过实验测量或估算出电池以及电池模块整体的各向热导率或主要组成部分（如电池核心和电池壳）的热导率；同时运用计算流体力学计算，或通过实验测试，获得传热介质和模块之间的传热系数。然后利用有限元分析电池单体或模块的稳态和瞬态温度场，得到电池在车辆各种运行情况下的温度场。运用ANSYS和FLUNET等热分析相关软件分析车辆在各种运行情况下，整个电池包采取不同的加热/冷却流体（空气和液体）、不同的流动路径（液体直接或间接接触、气体并行或串行通风）及不同流速时的温度场。比较选择合适的传热介质、流动路径及流量。在这一环节中最终确定BTMS是否需要，以及需要的类型。电池的实际产热情况十分复杂，为了减少电池温度场相关数值计算的复杂性，在计算时通常进行相应简化。即对电池做如下假设：1）组成电池的各种材料介质均匀，密度一致，同一材料的热容为同一数值，同一材料在同一方向各处的热导率相等；组成电池材料的比热容和热导率不受温度和SOC的变化影响；2）电池充放电时，电池内核区域各处电流密度均匀，生热速率一致。然后基于电池生热理论计算模型，求解导热微分方程。因此只需要解决3个关键问题：1）热物性参数，即电池的密度、比热容及热导率；2）载荷即生热速率；3）定解条件（初始温度和边界换热条件等）。1.5初步设计BTMS1）运用计算流体力学或通过试验测试，估算出热管理所需风扇或泵的功率。通过分析和实验，确定各种辅助部件，如：风机、水泵、热交换器及加热器等。2）设计控制系统，制定运作BTMS的控制策略，如：选择风机种类、温度传感器的数量及测温点位置等等。3）估计BTMS及其组成零部件的成本，审议和评价可维修性、操作方便性及可靠性等。4）比较不同方案的性能、能源需求、成本、复杂性和可维护性。5）初步设定一个BTMS，制定出散热加热系统结构。1.6构建和测试BTMS在这个环节中制造一个有BTMS的电池包。用电池包传热台式实验来验证有限元模型，评价传热与流动性能，微调BTMS设计，评估车辆在各种气候条件下运行的热控制策略。最后安装在车辆上，并运用汽车测功机重复实验来验证改进。通过多轮次设计对它进行实验验证来不断修正和完善这个管理系统。例如：是否需要通过调整风扇或泵功率加大流体流量，加快电池表面的换热速率；利用红外热成像来实验验证添加热管理后的电池包温度场的控制是否达到要求。1.7完善和优化BTMS为了使BTMS达到最佳效果，设计师可能需要重复上述的一些步骤，如：考虑电池的性能和寿命、对车辆的性能影响、成本以及是否易于维护等。以风冷散热为例，设计散热系统时，在保证一定的散热效果情况下，应该尽量减小流动阻力，降低风机噪声和功率消耗，提高整个系统的效率，可以用实验、理论计算和计算流体力学的方法估计压降和流