1、產(chǎn)品開發(fā)流程

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)流程應(yīng)與電池包開發(fā)流程保持一致。熱管理系統(tǒng)的設(shè)計貫穿于整個電池包的設(shè)計過程中，在整車開發(fā)經(jīng)過A樣件、B樣件、C樣件、D樣件以及最后的產(chǎn)品5個階段，電池?zé)峁芾韰⑴c每個階段的設(shè)計、更改、試制以及驗證。

2、熱管理開發(fā)流程

設(shè)計性能良好的電池組熱管理系統(tǒng)，要采用系統(tǒng)化的設(shè)計方法。電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計的過程包括如下7個步驟：

設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)

1、確定電池工作最優(yōu)工作溫度范圍

由于氣候和車輛運行條件對電池影響很大，所以設(shè)計BTMS時要確定電池組最優(yōu)的工作溫度范圍。目前電動汽車用電池重要有鉛酸電池、氫鎳電池和鋰離子電池。

1)鉛酸電池

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，鉛酸電池的壽命隨溫度新增線性減少，充電效率卻線性新增，隨著電池溫度的降低充電接受能力下降，特別是0℃以下;模塊間的溫度梯度減少了整個電池組的容量，推薦保持電池組內(nèi)溫度的均勻分布和控制現(xiàn)有鉛酸電池溫度在35～40℃之間。效率和最大運行功率在-26～65℃范圍內(nèi)新增。

2)氫鎳電池

當(dāng)溫度超過50℃時，電池充電效率和電池壽命都會大大衰減，在低溫狀態(tài)下，電池的放電能力也比正常溫度小得多。下圖是某80Ah氫鎳電池不同溫度下電池放電效率圖，由圖中可以看出，在溫度高于40℃或者溫度低于0℃時，電池的放電效率顯著降低。假如僅根據(jù)這一限制，此電池的工作運行范圍應(yīng)該在0～40℃之間。

3)鋰離子電池

與氫鎳電池、鉛酸電池相比，能量密度更高，導(dǎo)致生熱更多，所以對散熱要求更高。鋰離子電池最佳工作溫度在-20～75℃之間。

鉛酸電池、氫鎳電池、鋰離子電池?zé)峁芾淼谋匾匀Q于各自的生熱率、能量效率和性能對溫度的敏感性。氫鎳電池在高溫>40℃)時生熱最多、效率最低并且易于發(fā)生熱失控事故。因此，氫鎳電池很要熱管理，很多對氫鎳電池進(jìn)行液體冷卻的努力也突出了這一點。

2、電池?zé)釄鲇嬎慵皽囟阮A(yù)測

電池不是熱的良導(dǎo)體，電池表面溫度分布不能充分說明電池內(nèi)部的熱狀態(tài)，通過數(shù)學(xué)模型計算電池內(nèi)部的溫度場，預(yù)測電池的熱行為，關(guān)于設(shè)計電池組熱管理系統(tǒng)是不可或缺的環(huán)節(jié)。通常使用如下公式進(jìn)行計算：

式中：

a、T是溫度;

b、ρ是平均密度;

c、Cp是電池比熱;

d、kx、ky、kz分別是電池在x、y、z方向上的熱導(dǎo)率;

e、q是單位體積生熱速率。

3、電池生熱率

電池充電過程中的反應(yīng)生熱可以分為兩個階段。

第1階段：

沒有發(fā)生過充電副反應(yīng)之前，生熱量重要來自:電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。

第2階段：

在發(fā)生過充電副反應(yīng)之后，生熱量重要來自:電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。其中大部分的生熱量來自于過充電副反應(yīng)生熱。充電末期和過充電時，過充電副反應(yīng)就開始發(fā)生。

電池放電過程中的生熱量重要來自:電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。要指出的是氫鎳電池放電時化學(xué)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，能吸收一部分熱量，所以生熱問題不是很嚴(yán)重。

電池的內(nèi)阻是影響電池生熱速率的關(guān)鍵指標(biāo)，它隨著電池SOC變化，在得到電池內(nèi)阻值后可以通過計算獲得電池生熱量，下圖是某12V～80Ah氫鎳電池模塊在不同SOC下的內(nèi)阻值。

采用專門設(shè)計的量熱計可以直接測量出電池的生熱量，還可以測出電池的熱容量。

4、電池生熱量重要因素

5、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池箱內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異，會加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性，假如長時間積累，會造成部分電池過充電或者過放電，進(jìn)而影響電池的壽命與性能，造成安全隱患。電池箱內(nèi)電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關(guān)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(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)計時，要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來，通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種，如下圖所示。

串行通風(fēng)方式下，冷空氣從左側(cè)吹入從右側(cè)吹出。空氣在流動過程中不斷地被加熱，所以右側(cè)的冷卻效果比左側(cè)要差，電池箱內(nèi)電池組溫度從左到右依次升高。

并行通風(fēng)方式使得空氣流量在電池模塊間更均勻地分布。并行通風(fēng)方式要對進(jìn)排氣通道，電池布置位置進(jìn)行很好地設(shè)計，其楔形的進(jìn)排氣通道使得不同模塊間縫隙上下的壓力差基本保持一致，確保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一致性，從而保證了電池組溫度場分布的一致性。

6、風(fēng)機(jī)與測溫點選擇

在設(shè)計電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時，希望選擇的風(fēng)機(jī)種類與功率、溫度傳感器的數(shù)量與測溫點位置都恰到好處。

以空冷散熱方式為例，設(shè)計散熱系統(tǒng)時，在保證一定散熱效果的情況下，應(yīng)該盡量減小流動阻力，降低風(fēng)機(jī)噪音和功率消耗，提高整個系統(tǒng)的效率。可以用實驗、理論計算和流體力學(xué)CFD仿真(本案例采用FloEFD軟件)的方法通過估計壓降、流量來估計風(fēng)機(jī)的功率消耗。當(dāng)流動阻力小時，可以考慮選用軸向流動風(fēng)扇;當(dāng)流動阻力大時，離心式風(fēng)扇比較適合。當(dāng)然也要考慮到風(fēng)機(jī)占用空間的大小和成本的高低。尋找最優(yōu)的風(fēng)機(jī)控制策略也是熱管理系統(tǒng)的功能之一。

電池箱內(nèi)電池組的溫度分布一般是不均勻的，因此要了解不同條件下電池組熱場分布以確定危險的溫度點。測溫傳感器數(shù)量多，有測溫全面的優(yōu)點，但會新增系統(tǒng)成本。考慮到溫度傳感器有可能失效，整個系統(tǒng)中溫度傳感器的數(shù)量又不能太少，至少為兩個。根據(jù)不同的實際工程背景，理論上利用有限元分析、試驗中利用紅外熱成像或者實時的多點溫度監(jiān)控的方法可以分析和測量電池組、電池模塊和電池單體的熱場分布，決定測溫點的個數(shù)，找到不同區(qū)域合適的測溫點。一般的設(shè)計應(yīng)該保證溫度傳感器不被冷卻風(fēng)吹到，以提高溫度測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在設(shè)計電池時，要考慮到預(yù)留測溫傳感器空間，比如可以在適當(dāng)位置設(shè)計合適的孔穴。

熱管理系統(tǒng)性能評估

仿真是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)最有效的評估手段之一。根據(jù)目前已有的風(fēng)冷和水冷項目相關(guān)經(jīng)驗，仿真可以完成如下工作：

1)水冷系統(tǒng)冷卻板的壓降計算以及冷卻水流動一致性計算;

2)電池包熱性能評估計算;

3)空氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)化計算。

1、散熱型電池包熱管理案例

以下為某混合動力汽車建立的整車熱管理，其中包含電池包熱管理模型、乘員艙模型、發(fā)動機(jī)冷卻、HVAC、油冷系統(tǒng)和電機(jī)冷卻系統(tǒng)FloMASTER軟件(軟件原名稱Flowmaster)仿真模型，其中針對電池冷卻系統(tǒng)，開展了一系列的設(shè)計仿真工作。

針對電池包，建立了電芯模型和冷卻模型，考慮了電芯的熱容、熱阻和熱橋，對冷卻和加熱過程進(jìn)行了研究，得到了滿足冷卻溫度要求(電芯不超過40℃)的水流量和在規(guī)定的30分鐘內(nèi)升溫30℃的加熱功率，以及加熱過程中各電芯的溫度均勻性及滯后性能。

2、直接空氣冷卻型電池包

該案例為三菱歐蘭德車型的熱管理仿真，得到了不同氣象條件及整個測試循環(huán)工況下蒸發(fā)器出口的冷風(fēng)狀態(tài)及電芯溫度。

3、空/水混合冷卻型電池包

以下模型為空/水混合冷卻型電池?zé)峁芾砑罢嚐峁芾砟Ｐ停υ撓到y(tǒng)進(jìn)行了不同季節(jié)、不同車況的熱管理仿真，并結(jié)合控制策略，研究了不同檔位的采暖和電池加熱工況以及純加熱工況，對系統(tǒng)設(shè)計及控制策略優(yōu)化供應(yīng)了重要依據(jù)。

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