鉅大LARGE | 點擊量：1905次 | 2021年11月09日
鋰離子電池液冷系統(tǒng)設(shè)計，有什么需求和計算
動力鋰離子電池老化過程，溫度是最重要的影響因素，獲得適宜的工作溫度，能夠減緩電池的老化同時發(fā)揮電池的最優(yōu)性能。動力鋰離子電池包內(nèi)，集成幾百幾千只電池單體在一個系統(tǒng)中，單體性能的一致性直接影響電池組整體的性能和壽命。處在電池包內(nèi)不同位置，自然散熱條件千差萬別，想要獲得一致的老化進度，先要創(chuàng)造一致的工作溫度。動力鋰離子電池熱管理系統(tǒng)的設(shè)計目標兩個：
1）電池包內(nèi)部維持在合理溫度范圍內(nèi)；
2）不同電芯溫差盡可能小。
1需求導入
一個工程項目的設(shè)計，第一步務(wù)必理清客戶需求。除了一般需求，還應(yīng)該設(shè)身處地的挖掘周邊需求，即使客戶沒有提及，我們最好提前私下加以考慮。有關(guān)液冷系統(tǒng)，動力鋰離子電池包的基本需求，如下面所列舉的項目所示。另，本文針對間接冷卻的情形。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電芯類型及參數(shù)
鋰離子電池體系選擇，材料體系不同，帶來熱特性的差別。以現(xiàn)在主流的錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰為例。錳酸鋰，低溫特性比較好，但高溫耐老化性能較差，壽命較短，能量密度中等；磷酸鐵鋰，低溫放電能力差，高溫性能好，能量密度偏低；三元鋰，高低溫性能處于中上，能量密度高，壽命長，但相對安全性偏低。電芯選型，就是根據(jù)能量密度、功率密度、循環(huán)性能、成本限制等重要要求選擇鋰離子電池類型。電芯類型確定，熱管理的熱源計算參數(shù)才能確定。
熱管理系統(tǒng)關(guān)心的電池參數(shù)包括：標稱電壓和電壓范圍，最大持續(xù)工作電流，能量密度，功率密度，電池內(nèi)阻（新電池和壽命終了階段）、熱特性參數(shù)（等效比熱容、等效熱傳導系數(shù)）
電池組設(shè)計信息
電池組由多少串并組成，等效連接電阻阻值，結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，可能的散熱器布置形式。
電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)布置
電池包箱體空間形狀及尺寸，電池模組分布情形，高低壓電纜走線位置，
系統(tǒng)最大發(fā)熱功率（電池全生命周期、汽車全工況）
電芯、模組及電池包整體能夠達到的持續(xù)最大功率及相應(yīng)條件下的發(fā)熱功率，電池壽命終點考慮各老化因素以后的持續(xù)最大發(fā)熱功率，汽車運行工況中的最大發(fā)熱功率和持續(xù)時間，汽車持續(xù)最高速運行的最大發(fā)熱功率和持續(xù)時間。
另一個要確定的需求，系統(tǒng)的最大發(fā)熱功率，是否要考慮熱失控的情形。
應(yīng)用極端環(huán)境（溫度）
車輛目標銷售地區(qū)的最高環(huán)境溫度和持續(xù)時間，最低環(huán)境溫度和持續(xù)時間。
電池包熱管理目標
目標重要包括最高、最低工作溫度范圍和最大溫差。
2總體設(shè)計
總體設(shè)計，針對輸入的需求，總體考慮冷卻系統(tǒng)的框架。
根據(jù)系統(tǒng)發(fā)熱功率密度以及密封性、允許溫度范圍、成本要求等，選擇適合的冷卻方式，初步確定散熱器類型，加熱方式。參考車輛預留空間，大體考慮設(shè)備的布置和固定方式。
案例冷系統(tǒng)方法框架
3計算
鋰電芯發(fā)熱速率計算
人們根據(jù)對鋰離子電池電化學反應(yīng)過程的認識，通常把充放電過程中的熱量劃分成四部分：反應(yīng)熱、歐姆熱、極化熱和副反應(yīng)熱。有關(guān)新電芯，副反應(yīng)熱比例極小，可以忽略不計。但到了電池生命的后期，這種簡化可能會帶來較大偏差。
一個經(jīng)過大量簡化的模型如下面公式所示：
其中，各項系數(shù)K表示鋰離子電池在長寬高各方向上的導熱系數(shù)，T為溫度，q是電池單位體積的熱生成率，ρ代表電池密度，cp為電池比熱容，t為時間。
該模型簡化了其他熱傳遞模式，只保留在電池內(nèi)部熱傳遞的重要形式——熱傳導方式；熱量只在電芯中心生成，與電芯的實際結(jié)構(gòu)存在較大差異；系統(tǒng)參數(shù)，不考慮隨溫度變化而變化的情形，設(shè)定熱傳導系數(shù)和熱容量為常數(shù)。有關(guān)各個方向上導熱系數(shù)的取值，有一種思路是，按照電芯內(nèi)各種組成材料的加權(quán)平均取值。
已經(jīng)存在的大量針對鋰離子電池電芯熱模型的研究，有的考慮電芯卷繞或者層疊的實際物理形式，設(shè)置每層都是熱源，層與層之間有熱量傳遞的過程；有的詳細描繪電芯內(nèi)部不同組成部分的發(fā)熱情形，并綜合各種熱源的用途，從電芯內(nèi)部生熱并在三維空間中進行傳播的情形。
在設(shè)計散熱器或者集熱板的形式及其在電池模組中放置的位置時，電芯中具體哪個部位發(fā)熱，哪個點溫度最高，對設(shè)計結(jié)果有確定的影響。但在面對電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計，單顆電芯出現(xiàn)的重要影響是產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率。過多的細節(jié)反而占據(jù)計算資源。
下面要計算前面公式中生熱速率q，公式來自經(jīng)典生熱速率模型：
其中，V是電芯體積；I是電芯電流；T是電芯溫度；R是電池內(nèi)阻；U0對T的偏導數(shù)，是溫度影響系數(shù)，在20℃～50℃范圍，取常數(shù)0.5mv/k;I^2R表示歐姆熱，U0對T的偏導數(shù)所在項表示電池可逆熱。此生熱速率模型，將生熱速率與電池可以測量到的參數(shù)聯(lián)系起來，便于實際應(yīng)用。選取恒定電流值，則生熱速率可以直接計算得到。
電池組發(fā)熱量計算
電池模組內(nèi)，除了電池單體內(nèi)阻，還存在著連接電阻。單體電芯連接成電池組，電芯與連接導體的接觸電阻和連接導體的自身電阻；電池模組與模組之間使用高壓導線或者銅排鋁排連接，存在接觸電阻和導線內(nèi)阻。通電過程中，以上電阻都會出現(xiàn)熱量。有關(guān)連接形式相同的電池模組，可以通過整體內(nèi)阻測量，或者根據(jù)相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗給出估計值，在建立仿真模型時使用，后續(xù)再根據(jù)實驗驗證結(jié)果做出調(diào)整。
電池組的發(fā)熱量，按照電池組內(nèi)全部電芯的發(fā)熱量總和，加上連接電阻發(fā)熱量的總和計算。
單片散熱器的選型和計算
散熱器的形式多種多樣，有平板散熱器，熱管散熱器，相變材料組件，鋁板復合熱管散熱器等等。根據(jù)單片散熱器承擔的散熱量，設(shè)計散熱器與電池組的接觸面積和散熱器與液冷回路的熱交換面積。
散熱器的接觸面形狀，要根據(jù)電池單體的形狀以及電池組內(nèi)電芯的布置情形確定，一方面希望散熱器獲得與電池之間最大的散熱面積，另一方面，不同位置的電芯要保持與散熱器具有相同的接觸面積。
這里存在一個問題，距離冷卻水管較近的電芯與較遠的電芯相比，流經(jīng)它的冷卻液溫度偏低，理論上可以通過調(diào)節(jié)不同位置的接觸面積去抵消冷卻液溫升帶來的影響。但這種設(shè)計在工程上的互換性太差，沒有一定的批量，成本會顯著上升。
下圖是案例中蛇形管與圓柱形電池的匹配情況。
系統(tǒng)散熱設(shè)計計算
根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和溫度范圍確定冷卻液型號。電池包冷卻系統(tǒng)內(nèi)，總共使用了多少散熱器，其散熱能力之和，是對冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的最低要求。
根據(jù)此要求，選擇循環(huán)系統(tǒng)管道尺寸和管道布置形式；確定散熱器之間串并聯(lián)關(guān)系，；確定冷卻液的進出口溫度、壓力和流量；確定泵的揚程；確定制冷裝置功率。
低溫加熱功率計算
總體思路是必須認識到，低溫加熱過程中實際在進行著兩個熱傳遞過程，一個是加熱器給電池包全部部件加熱，另一個是電池包箱體向周圍環(huán)境散熱。加熱過程，電池包內(nèi)部各種材質(zhì)的部件，分別計算從低溫加熱至理想溫度，要多少熱量；散熱過程，在加熱器加熱的過程中，電池包箱體吸熱溫度上升，同時又在向周邊環(huán)境散熱，這是一個動態(tài)散熱的過程，高溫部分的溫度持續(xù)上升，低溫環(huán)境溫度維持不變。散熱過程重要以兩種熱傳遞方式進行，對流傳熱和熱輻射。
電池包內(nèi)部件的類型大體包含電芯、高低壓導線，固定電芯用的結(jié)構(gòu)件、冷卻系統(tǒng)的散熱器、冷卻系統(tǒng)管路、電池箱體、電池管理系統(tǒng)BMS和傳感器等。下表是案例作者對箱體內(nèi)材料的大體分類。
計算電池包部件升溫所需全部熱量、箱體散發(fā)的熱量之和，得到加熱總體熱量。再根據(jù)加熱時間的具體要求，求得相應(yīng)加熱功率。
合理預熱功率估計
此處預熱是指，在低溫氣候下，車輛長時間停放，電池包及熱管理系統(tǒng)的散熱器、管路以、冷卻液溫度都極低，假如依靠鋰離子電池自身的電量加熱，一方面溫度過低，可能低于電池允許放電的下限溫度，根本無法實現(xiàn)供電加熱；另一種情形，即使能夠供電，系統(tǒng)內(nèi)阻大且放電能力差，電池系統(tǒng)自身消耗大量的電能，而電量的消耗直接影響接下來的續(xù)航。為了應(yīng)對這種情形，有設(shè)計人員考慮了預熱策略。
電池包溫度過低時，不允許電池包放電，同時要求車主接通外部電源，給電池包內(nèi)的加熱系統(tǒng)供電，車輛處于禁行狀態(tài)。在預熱過程中，冷卻介質(zhì)充滿冷卻回路，得以與電池包一起獲取熱量。待預熱過程結(jié)束，車輛開始運行，電池自身會出現(xiàn)熱量，維持電池包內(nèi)的溫度。這樣，防止大量動力鋰離子電池的電量被用于加熱。只要預熱時間不要拖延太長，有關(guān)用戶體驗的提升大有好處。
預熱功率的計算，與前面低溫加熱的計算過程近似，但預熱要考慮冷卻回路中充滿冷卻液的情形。
安裝固定強度計算
電池包熱管理系統(tǒng)，部分安裝在電池包內(nèi)部，部分直接安置在車身上。每個安裝固定和結(jié)構(gòu)設(shè)計都要考慮自身強度和固定強度問題。考慮方式與電池包內(nèi)的其他部件方法一致，本文不多做敘述。
參考
周慶輝，基于Fluent的鋰離子動力鋰離子電池的熱分析；
車杜蘭，電動汽車電池包散熱加熱設(shè)計；
王元哲，純電動乘用車動力鋰離子電池液冷熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計；
胡春姣，純電動汽車鋰離子電池模塊設(shè)計及熱特性分析；
閔德平，電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計及其熱管理液流傳熱強化研究；
王子緣，基于高導熱殼體的動力鋰離子電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計與研究。
