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动力电池热管理系统及其设计流程介绍


上海汽车 2014. 06
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图 10 产品开发流程示意图
图 11 电池热管理开发流程示意图
4 电池热管理系统的零部件选型
4. 1 冷却板选型 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 要。 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
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动力电池热管理系统及其设计流程介绍
周 奕 王 英 黄晨东 ( 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工 作有一定的指导意义。
参考文献
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【关键词】 动力电池 热管理系统 零部件 汽车
doi: 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 温度升高会影响电池的很多特性参数,如内阻、电 压、SOC、可用容量、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
空冷 / 水冷混合冷却系统具有系统紧凑、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。
图 9 直接空气冷却系统
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 要考虑的因素。
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 设计进行一 系 列 的 验 证 计 算,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。
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收稿日期: 2014 - 04 - 16
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1、2 所示。
图 1 电池充电过程中的 能量平衡
图 2 电池放电过程中的 能量平衡
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 ℃ 温度下输出容量为 300 kWh,而 35 ℃ 温度下的 输 出 容 量 仅 为 163 kWh。温 度 上 升 10 ℃ ,电芯的循环寿命下降了近 50% 。由此可见,温 度对电池的循环寿命有很大的影响。
图 6 低温散热器冷 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。
图 8 空冷 /水冷混合冷却系统
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
图 3 温度对日历寿命的影响
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、重量不同以及 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
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理设 计流程、电池的热管理系统及零部件类型、热管理 系统的零部件选型及热管理系统的性能评估等多 个方面来进 行 电 池 系 统 热 管 理 的 设 计 和 验 证,才 能保证电池的性能和安全性。
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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 电池热量的产生 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
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参考文献
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电池空气 冷 却 的 关 键 零 部 件 之 一 为 风 机,风 机的选型直接影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 定空气流量; 满足每个模块的温升要求; 基于系统 所需空气流量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
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 每 个 阶 段 的 设 计、更 改、试 制 以 及 验 证,具体流程见图 10。 3. 2 热管理开发流程
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CFD 是电池热管理系统最有效的评估手段之 一。根据目 前 已 有 的 风 冷 和 水 冷 项 目 经 验,CFD
图 12 风机-管路性能曲线图
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; 电池包浸泡及浸泡恢复性能评估计算; 空气 冷却系统优化计算。
温度 /℃ 23 35 45 55
寿命 /天 6 238 1 790 670 272
表 2 90%剩余容量—
能量输出
温度 /℃ 25 30 35
能量输出 / kWh 300 235 163
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图 5 直冷系统原理图 上海汽车 2014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。 直接冷却水 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 高。此类型的冷却系统是目前最常用的电池热管 理系统之一。
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直冷系统的原理图如图 5 所示。直冷系统具 有系统紧 凑、重 量 轻 以 及 性 能 好 的 优 点。 但 是 此 系统是一个双蒸发器系统、系统没有电池制热、没 有冷凝水保 护、制 冷 剂 温 度 不 易 控 制 且 制 冷 剂 系 统寿命差。
图 4 温度对循环寿命的影响
表 1 80%剩余容量—
日历时间关系
1. 2 温度升高对电池寿命的影响 温度的升高对电池的日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温 度对不同电芯的日历寿命的影响数据,如图 3、4 所示。具体数据如表 1、2 所示。
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