动力电池热管理系统及其设计流程介绍

1、动力电池热管理系统及其设计流程介绍周奕王英黃晨东(上海汽车集团股份有限公司新能源和技术管理部上海201804)【摘要】 从电池热管理系统、热管理系统零部件类型、电池热管理系统设计流程、热管理系统的零部件 选型以及热管理系统性能验证等几个方面全面介绍了动力电池热管理系统 对动力电池热管理系统的设计T. 作有一定的指导意义。Abstract The battery pack thermal management system is introduced from the aspects of the battery thermal management system t type of therm

2、al management systems and component, thermal management system design process, thermal management system selection and components sizing and thermal management system performance evaluation Il has reference for the battery pack thermal management system design【关键词】动力电池 热管理系统 零部件 汽车 # 上海汽车2014.06 # 上

3、海汽车2014.06doi ：10. 3969/j. issn. 1007-4554.2014.06.02动力电池组作为混合动力汽车的主要储能元 件，直接影响到HEV的性能。由于充放电过程中 电池本身会产生一定热量，从而导致温度上升，而 温度升髙会影响电池的很多特性参数，如内阻、电 压、SOC、可用容呈、充放电效率和电池寿命。电池 热效应问题也会影响到HEV整车的性能和循环 寿命。因此研究电池的散热问题对保持电池组 的性能和寿命有至关重要的作用。1动力电池热管理系统介绍1.1电池热的产生由于电池阻抗的存在，在电池充放电过程中, 电流通过电池导致电池内部产生热量。原理如图 # 上海汽车2014.

4、06 # 上海汽车2014.06收稿Fl期：2014 -0416参考文献(1 庞剑礙刚何华.汽车噪声与振动一理论与应用 M北京：北京理工大学出版社.2OO8.2 徐浩芮执元王富强.基于冇限元的大型冷擦焊机主 釉箱优化设计【J! 机械设计与制造.2013(3):114-116.3 J M P. Bndsor.0 Sigmund. Topology optimization： theory. niethiMl and applications M Gfnnany: Springer.20034 Kodivalam S. Yang R J. Mullidisplinan Design Optimiz

5、ation of a Vehicle SvMeni in a Scalable Ili Perfurmancc Compuliiig En- vimnmenl； J. Stniclural and MuilidiMuplinan Optimizalion.2004,26： 256-263.5 邓殖祥岛书娜胡玉梅基丁拓扑优化的轿车车身低 噪声设计 LJj.fe 动与冲 ife,2008.27(ll)：168.1726 舒熬方宗徳赵冠军瞬驶室结构法掠降噪的拓扑优 化设计J.« 动与冲击.2008.27(3):113-116.7 王力田晟喻惠然.基于Op賤rad的整车试验台架结 构优化设计

6、J 汽车技术.2012.446(11):469.8 樊咬铃郭杏林吴承伟母热像法和能址法快速评估 QH5 钢的疲劳性能Jj.材HT.W,2012( 12).71-76.图1电池充电过程中的 图2电池放电过程中的 能址平備能址平衡1.2温度升高对电池寿命的影响78767472时间尺时间尺图3温度对日历寿命的影响图4温度对循环寿命的影响温度/£寿命/天236 238351 7904567055272表1 80%剩余容日历时间关系温度/弋能fit输出/kWh253003023535163表2 90%剩余容一能输出温度的升高对电池的口历寿命和循环寿命都 有影响。本文引用了某家动力电池厂关于不同

7、温 度对不同电芯的H历寿命的影响数据，如图3、4 所示。具体数据如表1、2所示。从表1、图3可以看出，温度对电池的H历寿 命有很大的影响。同样的电芯，在环境温度23弋， 6 238天后电池的剩余容量为80%,但是电池在 55弋的环境下,272天后电池的剩余容量已经达 到80% o温度升高32 电芯的日历寿命下降了 95%以上。因此,温度对日历寿命的影响极大，温 度越高日历寿命衰退越严更。从表2、图4可以看出，温度对电池的循环寿 命也有很大的影响，同一款电芯，当剩余容量为 90% ,25弋温度下输岀容竝为300 kWh,而35 °C 温度下的输出容量仅为163 kWh。温度上升10 *

8、，电芯的循环寿命下降了近50% 0由此可见，温 度对电池的循环寿命有很大的影响。因此，为了电池包性能的最优化需要热管理 系统使电池电芯工作在一个合理的温度范围内。2热管理系统及零部件类型介绍不同的整车环境，不同的电池包类型，使用的 热管理系统及零部件类型也不尽相同。不同的热 管理系统，零部件类型的结构不同、重最不同以及 系统的成本不同和控制方式不同，使得系统所达 到的性能也不相同。下面将展开介绍不同类型的 热管理系统以及不同系统的优点、缺点及关注点。 2.1直冷系统直冷系统的原理图如图5所示。直冷系统具 有系统紧凑、重址轻以及性能好的优点。但是此 系统是一个双蒸发器系统、系统没右电池制热、没

9、有冷凝水保护、制冷剂温度不易控制且制冷剂系 8 上海汽车2014.06车2.2低温散热器冷却系统低温散热器冷却系统的原理图如图6所示。 低温散热器冷却系统是电池的一个单独系统，由 散热器、水泵和加热器组成。该冷却系统具有系 统简单、成本低、低温环境下经济节能等优点。但 是此系统有着冷却性能低、夏天水温高、应用受天 气限制等缺点。2.3 直接冷却水冷却系统直接冷却水冷却系统的原理图如图7所示。 宜接冷却水冷却系统具有系统紧凑、冷却性能好 以及工业应用范围广等优点。但是此系统零部件 比直冷多、系统复杂、燃料经济性差且压缩机负荷 奇。此类型的冷却系统是目前最常用的电池热管 理系统之一。图6低温敵热器

10、冷却系统原理图图7直接冷却水冷却系统2.4 空冷/水冷混合冷却系统空冷/水冷混合冷却系统原理如图8所示。 空冷/水冷混合冷却系统中有两个关键零部件:一 个是水冷的电池冷却器，另一个是空冷的电池散 热器。r电池图8空冷/水冷混合冷却系统空冷/水冷混合冷却糸统具冇糸统紧凑、性能 好且低温环境下经济节能等优点。但是此系统复 杂、成本高.控制复杂且可靠性要求高。2.5直接空气冷却系统直接空气冷却系统的原理图如图9所示。此 系统利用驾驶舱的低温空气对电池进行冷却。直接空气冷却系统具有系统简单、空气温度 可控以及成本低等优点： 但是此系统并不是对所 有类型的电芯都适合，浸湿后回复慢且电池内部 会有污染的风

11、险。图9去接空气冷却系统在进行电池包热管理系统类型设计选择时, 需要考虑到电池的冷却性能需求，结合整车的性 能以及空间大小，系统的稳定性和成本高低也是 要考虑的伏I素。3热管理系统的设计流程介绍3.1产品开发流程电池热管理系统的开发流程应与电池包开发 流程保持一致。热管理系统的设计贯穿于整个电 池包的设计过程中在整车开发经过A样件、B样 件、C样件、D样件以及最后的产品5个阶段,电池 热管理参与毎个阶段的设计、更改、试制以及验 证,具体流程见图10。32热管理开发流程电池的热管理系统开发首先必须明确客户的 需求以及对电芯性能的了解根据电芯特点和整 车实际情况确认电池的冷却方式是空气冷却还 是水

12、冷却°不管哪种冷却方式，首先根据电池的 冷却负荷，确定满足需要的风量/水流量，然后对 设计进行-系列的验证计畀，计算满足设计要求 后进行零部件的选型，确认供应商等一系列工作。 电池的热管理开发流程见图11所示。上海汽车2014.06 9 车Sit匸艸设计冻结 试制功能弊证_ V产乩验证PVPPAP生产件忙准用序 PS0产品签认1$XW改试生产A样件热管理的设计和开发B样件C样件D样件户品图10产品开发流程示意图10上海汽车2014.06车#上海汽车2014.06车|砂确兴八需求了解点若件能1图1】电池热秤理开发流稈示意图#上海汽车2014.06车4电池热管理系统的零部件选型4.1冷却

13、板选型冷却板作为电池包水冷系统中最关键的零部 件之一，冷却板的选型至关重箜。冷却板的选型 必须满足如下要求：冷却板的压降必须满足客户 要求；冷却水流动的一致性要求；爆破压力要求; 冷却板的机械要求；冷却板必须通过振动和冲击 载荷测试;冷却板必须满足公差要求以及空间尺 寸要求。4.2风机选型电池空气冷却的关键零部件之一为风机，风 机的选型直接彫响电池包空冷系统的冷却效果。 风机的选型要求如下：根据电池的热生成速率确 定空气流址;满足每个模块的温升要求；基于系统 所需空气流址以及系统的压降曲线选择满足要求 的风机，如图12所示。5电池热管理系统的性能评估CFD是电池热管理系统最有效的评估手段之 -O根据目前已有的风冷和水冷项目经验，CFD 可以完成如下工作：水冷系统冷却板的压降计算 以及冷却水流动一致性计算；电池包热性能评估 计算；电池包臭泡及浸泡恢复性能评估计算;空气 冷却系统优化计算。6结语电池的温度直接影响了电池的安全性，因此 电池的热管理系统设计研究是电池系统设计中最 关键的工作之一。必须严格按照电池的热管