精选-FloTHERM-电子电池冷却方案-054

主要内容1应用背景与需求分析公司及FloTHERM软件功能简介FloTHERM软件技术优势FloTHERM应用案例电子设备的发展趋势21.热耗上升化2.设备小巧化3.环境多样化过热——电子产品故障的首要原因3(Source:USAirForceAvionicsIntegrityProgram)Figure2:MajorCausesofElectronicsFailures图2：电子产品故障主要原因资料来源：美国空军航空电子整体研究项目55%温度20%振动6%粉尘19%潮湿Figure1:JunctionLifeStatistics(Source:GECResearch)图1：结点寿命统计故障率（10万小时）资料来源：GEC研究院发热问题被确认为电子设备结构设计所面临的三大问题之一(强度与振动、散热、电磁兼容)热设计的基本要求4•满足设备可靠性的要求•满足设备预期工作的热环境的要求•满足对冷却系统的限制要求热设计工程师——与EE,ME,Layout等项目相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能并降低成本SurveyResults:热仿真软件获得什么•客户需求：–“快速、简洁、易用”–“高效资源占用低”–“集成MCAD与EDA软件，加速总体设计”–“高度自动化”–“减少计算调试过程”–“专业且负责的技术支持”–“能帮助提高产品可靠性”5•FloTHERM特征：–SmartParts&Libraries–自动循序优化–智能集成MCADandEDA软件–局部加密与对象关联性网格–真实相片级3D可视化–快速稳定求解器–……新能源汽车——电池动力6汽车用电池化学电池原电池蓄电池铅酸蓄电池镍氢电池锂离子电池其他燃料电池储备电池物理电池生物电池汽车用电池7物理电池物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，如太阳能电池、超级电容器以及飞轮电池等。生物电池生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池。酶电池以及生物太阳电池等等。化学电池化学电池是利用物质的化学反应发电的电池系统，其中主要分为原电池、蓄电池以及燃料电池和储备电池四种。微生物电池工作原理8现阶段物理电池和生物电池并不能广泛使用，因此，以下重点介绍化学电池。新能源车对于电池系统的要求，就像对于内燃机车对于发动机的各种要求，新能源车对于电池组也有着苛刻的要求，而这几项对于电池组的要求则直接关系到了新能源车在电动驱动方面的效能等问题。化学电池9蓄电池又称二次电池，是指电池在放电后可以通过充电的方法是活性物质复原而继续使用的电池，其实也就是我们目前最常见的充电电池，比如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池等。燃料电池又称联系电池，是指参加反映的活性物质从电池外部连续不断的输入电池，或者可以说其实燃料电池就是一个发电站，比如质子交换膜燃料电池、碱性电池、磷酸燃料电池等等。储备电池这种电池是指电池正负极与电解质在储存期间不直接接触，使用前注入电解溶液使正负极接触，此后电池进入待放电状态，如镁电池、热电池等等。原电池其实就是一次性电池，是指电池放点后不能用一般的充电方法使活性物质复原而继续使用的电池，如锌-二氧化锰干电池、锂锰电池、锌空气电池以及一次锌银电池等都是此类一次性电池。铅酸蓄电池10优点：1、除锂离子电池外，在场用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高，即为2.0V;2、制造成本低廉;3、可以做成小至1Ah大至几千Ah的各种尺寸和结构的蓄电池;4、高倍率放电性能良好，可用于发动机启动;5、电能效率可以达到60%;6、高低温性能良好，可以在-40℃～60℃条件下工作;7、易于浮充使用，没有“记忆”效应，且易于识别荷电状态。缺点：1、比能量低，在新能源车重所需要占用的整体质量以及体积比较大，一次充电可行驶的历程比较短;2、使用寿命短，且后期使用成本高;3、充电时间长;4、铅是重金属，存在污染，与新能源动力车的概念背道。自1859年发明以来，其使用和发展已经有了150多年的历史，其广泛应用于内燃机车的动力端，而新能源车所使用的铅酸蓄电池因为需要为车辆提供动力，所以它的主要发展方向是提高比能量，增大循环使用的寿命。镍氢电池1120世纪90年代发展起来的一种新型电池，它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质则由氢合金支撑，属碱性电池。镍氢电池具有高比能量、高功率，适合大电流放电、可循环充放电、无污染，属于一种绿色能源，目前很多新能源动力车型所使用的电池组都会选择镍氢电池。具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用等诸多特性，与铅酸蓄电池相比，镍氢电池具有比能量高、质量轻以及循环寿命长等特点，同时还具有以下特点：1、比功率高，目前商业化的镍氢电池功率可以达到1350W/kg;2、循环次数多，目前应用在电动车辆上的镍氢动力电池组，80%放点深度循环可以达到1000次以上，为铅酸电池的三倍以上，100%DOD循环寿命也在500次以上，在混合动力的汽车上可以使用五年以上;3、无污染，镍氢电池不含铅、镉等对人体有害的金属;4、耐过充过放，无记忆效应;5、使用温度范围大，正常使用温度范围在-30～50℃，存储温度范围-40～70℃6、安全，可以抵抗短路、挤压、针刺、跌落、加热、震动等情况，且不会发生爆炸或者燃烧现象。锂离子电池12最早在1990年由日本的索尼公司推向市场，是目前世界上最新一代的充电电池系统，与其它电池相比，其有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、更快的充电、自放电率低一级工作温度范围款和安全等优势。相比较镍氢电池，混合动力汽车采用锂离子电池，可是电池系统的质量下降40%～50%、体积减小20%～30%，能源效率也有提升。锂离子电池按照不同的正极材料可以分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池以及镍钴锂离子电池等。大多数新能源车型所使用的第一代锂离子电池均为锰酸锂离子电池，其成本更低、安全，但是循环寿命欠佳，同时在高温状态下循环寿命短，甚至在高温状态下会出现锰离子溶出现象，而现在大多数新能源车型所使用的第二代电池组为磷酸铁离子电池，也是未来锂离子电池的发展方向所在。工作原理锂离子电池13优点1、工作电压高，其工作电压为3.6V，是镍氢、镍镉电池工作电压的3倍;2、比能量高，其比能量达到150Wh/kg，是镍镉电池三倍，镍氢电池1.5倍;3、循环寿命长，其循环寿命可以达到千次以上，在低放电深度下可以达到几万次，超过了其它几种二次电池;4、自放电率低，锂离子电池的自放电率仅为6～8%，远低于镍镉电池和镍氢电池。5、无记忆性、无污染、随意塑形。缺点1、成本高，主要是正极材料的LiCoO的成本高，但按单位瓦时的价格来计算的话，其实已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池。2、必须有特殊的保护电路，以防止过充现象。燃料电池14燃料电池(FuelCell，FC)是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释放的能量转化为电能，工作时需要连续地向其供给活物质(起反映的物质)——燃料和氧化剂。由于它是把燃料通过化学反应释放出的能量变成电能，所以成为燃料电池。其实根据燃料电池车的工作原理来说，其所谓的燃料电池其实就好象串联式混合动力车的工作原理，其燃料电池并不是纯粹意义上的电池，而是一个输送电能的“发动机”，其将化学能转化为电能后输送给电池，尔后再将电能输送给电动机，或者其实称它为串联式混合动力车也未尝不可。燃料电池的发展是以电化学、电催化、电极过程动力学、材料科学、化工过程和自动化等学科为基础的，而最早的燃料电池在1839年格洛夫使用电解水产生的氢气和氧气而制造出了最早的燃料电池。燃料电池15优点1、能量转换效率更高。过氢氧化和作用将其所释放的化学能转变为电能，而不通过热机过程，也不受卡诺循环的限制。2、无污染。其排放物仅为可食用的纯净水。3、结构简单。燃料电池车(质子交换膜燃料电池)的电池模块是一种积木化的结构，使得电池组的组装以及维护都非常方便，同时因为其工作为误解些运动部件，以及工作中只会产生水，所以其在运行中的噪音也会更低。4、氢能源来源充分。氢是一种来源非常广泛的能源，且是一种可再生资源，比如可以通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢、光解水制氢等方法得到氢气。缺点其成本与其它新能源动力一样会非常高，同时对氢的纯净度要求非常高，以及因为氢属于活性物质，所以对于其储存器具的要求也颇为严苛，致使其在科技含量以及成本上都不会比其它新能源动力低，而这些也正是制约燃料电池发展的主要瓶颈，虽然奔驰汽车在燃料电池方面有着不错的发展，但是其瓶颈则依然卡在了电池能量密度、制造成本等问题之上。新能源汽车——电池动力16新能源汽车——电池动力17电池生热18生热因素主要有4项：电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。电池充电过程中的反应生热可以分为两个阶段。1.在没有发生过充电副反应之前为第1阶段，生热量主要来自：电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热；2.在发生过充电副反应之后为第2阶段，生热量主要来自：电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。电池放电过程中的生热量主要来自：电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。氢镍电池放电时化学反应是吸热反应，能吸收一部分热量，所以生热问题不是很严重。氢镍电池电动汽车电池组热管理系统(BTMS)191.电动汽车电池组会长时间工作在比较恶劣的热环境中，这将缩短电池使用寿命、降低电池性能；2.电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡；3.电池组的热监控和热管理对整车运行安全意义重大。电池作为电动汽车中的主要储能元件，是电动汽车的关键部件，直接影响到电动汽车的性能。电池组热管理系统的研究与开发对于现代电动汽车是必需的，原因在于：电池管理系统算法框架功能及关键技术201.确定电池最优工作温度范围2.电池热场计算及温度预测•电池生热速率•电池热物性参数的获取3.传热介质选择4.热管理系统散热结构设计5.风机与测温点选择1.电池温度的准确测量和监控；2.电池组温度过高时的有效散热和通风；3.低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；4.有害气体产生时的有效通风；5.保证电池组温度场的均匀分布。5项主要功能：关键技术电池最优工作温度范围21铅酸电池温度在35～40℃之间氢镍电池在0～40℃之间锂离子电池在-20～75℃之间不同温度下氢镍电池放电效率不同温度下锂电池放电效率不同温度下锂铅酸电池放电效率电池热场计算及温度预测22电池生热速率电池热物性参数的获取工程应用中准确获取电池单位体积生热速率q表达式比较困难，这是求解电池温度场的难点所在。目前主要有理论计算和实验两种方法得到q。•电池比热•热导率•电池模块壁面和环境之间的换热系数某氢镍电池模块在不同SOC下的内阻值传热介质选择23主要优点有：1.结构简单，重量相对较小；2.没有发生漏液的可能；3.有害气体产生时能有效通风；4.成本较低。缺点在于:其与电池壁面之间换热系数低，冷却、加热速度慢。主要优点有：1.与电池壁面之间换热系数高，冷却、加热速度快；2.体积较小。主要缺点有：存在漏液的可能；重量相对较大；维修和保养复杂；需要水套、换热器等部件，结构相对复杂。空冷方式液冷方式热管理系统散热结构设计24串行通风示意图并行通风示意图风机与测温点选择25在设计电池热管理系统时，希望选择的风机种类与功率、温度传感器的数量与测温点位置都恰到好处。•设计散热系统时，在保证一定散热效果的情况下，应该尽量减小流动阻力，降低风机噪音和功率消耗，提高整个系统的效率。•电池箱内电池组的温度分布一般是不均匀的，因此需要知道不同条件下电池组热场分布以确定危险的温度点。•根据不同的实际工程背景，理论上利用有限元分析、试验中利用红外热成像或者实时的多点温度监控的方法可以分析和测量电池组、电池模块和电池单体的热场分布，决定测温点的个数，找到不同区域合适的测温点。•一般的设计应该保证温度传感器不被冷却风吹到，以提高温度测量的准确性和稳定性。几款电动汽车产品电池组热管理系统26主要内容27应用背景与需求分析公司及FloTHER