新能源汽车电池热管理系统

1、内 容 1. 电池热管理系统研究的意义及现状 3. 单体电池研究基础 2. 电池热管理研究工作基础 1.电池热管理系统研究的意义及现状 动力电池的成本、性能、寿命在很大程度上决定了HEV 的成本和可靠性； 电池的温度和温度场的均匀性对蓄电池的性能和寿命 有很大的影响。 因此：进行电池散热结构的优化设计与散热性能的预 测，对提高混合动力汽车及动力电池的成熟度和可靠性具 有重要的现实意义。 1.电池热管理系统研究的意义及现状 美国NREL与开发商、制造商、DOE以及USABC合作，一直在 进行蓄电池热管理系统的研究，在世界此方面的研究中处于领 先水平。 1.电池热管理系统研究的意义及现状 我国春兰

2、、长安、重庆大学、清华大学、上海交通大学在国家 863等专项的支持下，开展了电池热管理系统的研究。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 热管理系统原始方案整车实验验证 u 原始模型的CFD仿真分析 u A样电池包优化方案 u B样电池包优化方案 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 热管理系统原始方案整车实验验证 试验在长安公司试验环境 舱中进行，按双方设定循环工 况试验，试验发现电池组温度 分布严重不均衡。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 原始模型的CFD仿真分析 在极限工况发热功率

3、为1750W时 ，最高温度和最低温度温差 约33，变工况最大温差为17.2，远大于温差在5内的要求。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u A样电池包优化方案一（改变倾斜角度和电池的间距） 取上下层电池倾斜角度为3.5度，两排电池的距离为30mm； 极限工况最大温差为9.5 ;变工况的温差为14.3 一个循环的时间(s) 24个电池模块的温度（K) 0100200300400500600 300 310 320 330 340 350 360 370 第11组电池 第21组电池 第1-24组电池温升情况 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔

4、 恒通客车 u A样电池包优化方案二（电池位置不动，添加挡板） 电池的位置不动，通过增加圆弧形的导流板、长条形的引 流板以及菱形的引流板，减少了前部电池的热交换面积，为后 部电池增加了冷却风量，极限工况温差11.6。变工况温差 5.83。 112 1324 一个循环的时间(s) 24个 电 池 模 块 的 温 度 （ K) 0100200300400500600 300 310 320 330 340 350 360 第18组电池 第9组电池 第1-24组电池升温情况 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u A样电池包优化方案三（给电池包热阻） 一 个 循 环

5、的 时 间 （ s） 24个 电 池 模 块 的 温 度 （ K ） 第 8组 电 池 第 13组 电 池 第 1-24组 电 池 升 温 情 况 0100200300400500600 300 305 310 315 320 325 330 335 340 345 350 通过在电池表面增加不同厚度热阻，改变了电池和空气换热 热阻，电池组的温度均匀性有了很大的改善。在极限工况温差 5.7，变工况温差2.83。 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u B样电池包优化方案 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 0306090120150180210240270300 0 50 100 150 200

6、250 300 350 400 流 量 压差 风 机 特 性 曲 线 系 统 管 路 特 性 曲 线 通过在不同压差下仿真分析，得出管路特性曲线，然后与风 机特性曲线求交点，以确定风机的工作点。 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 01002003004005006007008009001000 -35 -25 -15 -5 5 15 25 35 45 55 时 间 （ s） 充放电电流（A） 城 市 模 拟 堵 车 工 况 充 放 电 电 流 图 城 市 模 拟 堵 车 工 况 01002003004005006007008009001000 1100 -40 -25 -10 5 20 35 50

7、 65 80 时 间 （ s） 充放电电流（A） 6%爬 坡 工 况 充 放 电 电 流 图 6%爬 坡 工 况 0100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 时 间 （ s） 充放电电流（A） 急 加 速 急 减 速 工 况 充 放 电 电 流 （ 二 ） 图 急 加 速 急 减 速 工 况 （ 二 ） 正在以上述电流数值为边界条件进行瞬态仿真分析。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 中混原始模型的CFD仿真分析 u 中混优

8、化方案一CFD分析结果 u 中混优化方案二CFD分析结果 u 中混外围冷却系统CFD仿真分析及实验验证 u 中混圆形电池热管理系统整车实验验证 u 中混圆形电池瞬态仿真分析及实验验证 u 强混项目简介 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 原始模型的CFD仿真分析 CFD分析时取入口空气的初始温度35，电池发热功率为 650W,入口空气流量为140m3/h。仿真结果为：最高温度76.08， 最低温度51.48，温差为24.6，出口空气温度49.5。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 优化方案一CFD分析结果 CFD分析时取

9、入口空气的初始温度35，电池发热功率为650W, 入口空气流量为140m3/h。仿真结果为：最高温度60.03，最低温 度50.85，温差为9.5。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 优化方案二CFD分析结果 CFD分析时取入口空气的初始温度35，电池发热功率为 650W,入口空气流量为140m3/h。仿真结果为：电池壳体表面最高 温度53.457，最低温度49.423，温差为4.03。进出口压力 损失为142.2Pa，出口空气温度为46.12。各单个模块的不均匀 性，除了进风口第一排的三个电池迎风面和背风面的温差在6， 其他各模块的均匀性均在5以内。 2

10、. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 外围冷却系统CFD仿真分析及实验验证 DC/DC内部半导体元器件温度上限为75度，IPU温度上限 为85度，计算结果所得到的DC/DC温度值已经超过了上限。 优化方案的CFD分析 结果中IPU和DC/DC评估点 处的温度分别为65.4和 67.7，低于许用温度值， 满足散热性能要求 由CFD仿真及实验可以 看出，此方案设计合理。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 圆形电池热管理系统整车实验验证 对CV8圆形电池进行了五种工况的实验，分别是： 6%爬坡、 10%爬坡、城市堵车、高速、急加速

11、急减速。 数据处理时温度已补偿，均取各个工况的温度和温差来比较， 经验证CV8圆形电池优化方案二满足要求。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 u中混圆形电池瞬态仿真分析及实验验证 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 电池模块最高温度不超过48，模块间最大温差不超过3，散热强度 和散热均衡性良好。表明电池组在生、散热方面满足了混合动力电动汽车对 动力电池的使用要求。 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 强混项目简介 先对电池包进行流场分析，确定 DC/DC、上下层电池组的流量分配，为 下一步温度场分析打下基础。 由于此项目将于年底验收，故分析 结果及优化结构不能给出。 2. 重大前期电池热管理研究工

12、作基础 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 原始方案CFD仿真分析 u 优化方案一 u 优化方案二 u 优化方案三 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 原始方案CFD仿真分析 取进口流量1400m3/h, I=150A， 则发热功率为16.28KW。由仿真结 果可以看出，此结构的最高温度达 115，最大温差达30，电池组 温度分布严重不均匀。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 优化方案一 取进口流量1200m3/h, I=150A，则发热功率为16.28KW。由仿真 结果可以看出，最高

13、温度已降到105，最大温差为15。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 优化方案二 出风出风 进风 取总进口流量3200m3/h, I=100A，则时发热功率为7.255KW。进 风口处电池温度高达65 ，出风口处温度为39 ，前后温差较大。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 优化方案三 出风口出风口 进风口进风口 进风口进风口 出风口出风口 出风口出风口 取总进口流量3200m3/h, I=100A，则发热功率为7.255KW。进 风口处电池温度49，出风口处电池温度43，温差为6 左右。 3. 单体电池研究基础 u

14、研究目的 该项目通过测量电池单体在多种工况下表面温度场的变化，并将其与电池 温度场数值分析结果进行对比，希望能够获得一种简化并可靠的电池内部温度 场数值分析方法。通过该项目，一方面对长安目前采用的多种电池进行评价， 包括电池效率、放热及材料一致性以及温度对电池寿命的影响等性能；另一方 面，建立起可用于工程项目的单体电池温度场分析模型，提高电池箱开发的成 功率。 u 实验设备 重大自主研发的温度采集器 T型康铜传感器 红外摄像仪 3. 单体电池研究基础 u 研究对象 3. 单体电池研究基础 u 研究方法 1.获得仿真时所需要的几何参数和物性参数； 2.建立单体电池详细的三维模型，进行温度场瞬态仿

15、真分析，仿真结果 与实验数据进行对比，进一步修改模型； 3.简化模型，以用于实际的工程应用。 1.电池热管理系统研究的意义及现状 美国NREL与开发商、制造商、DOE以及USABC合作，一直在 进行蓄电池热管理系统的研究，在世界此方面的研究中处于领 先水平。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u A样电池包优化方案二（电池位置不动，添加挡板） 电池的位置不动，通过增加圆弧形的导流板、长条形的引 流板以及菱形的引流板，减少了前部电池的热交换面积，为后 部电池增加了冷却风量，极限工况温差11.6。变工况温差 5.83。 112 1324 一个循环的时间(s) 24

16、个 电 池 模 块 的 温 度 （ K) 0100200300400500600 300 310 320 330 340 350 360 第18组电池 第9组电池 第1-24组电池升温情况 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 中混原始模型的CFD仿真分析 u 中混优化方案一CFD分析结果 u 中混优化方案二CFD分析结果 u 中混外围冷却系统CFD仿真分析及实验验证 u 中混圆形电池热管理系统整车实验验证 u 中混圆形电池瞬态仿真分析及实验验证 u 强混项目简介 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安志翔 恒通客车 u 原始模型的CFD仿真分析 CFD分析时取入口空气的初始温度35，电池发热功率为 650W,入口空气流量为140m3/h。仿真结果为：最高温度76.08， 最低温度51.48，温差为24.6，出口空气温度49.5。 2. 重大前期电池热管理研究工作基础 长安杰勋 长安