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汽車電芯熱管理設計

2021-12-09 09:42:19·  來源：驅動視界  
　
一、不同電芯熱管理介紹熱管理的意義:人們對電動車續(xù)航里程、充電時間的要求越來越高，行之有效的電池熱管理系統(tǒng)，對于提高電池包整體性能具有重要意義。熱管理
一、不同電芯熱管理介紹
熱管理的意義:


人們對電動車續(xù)航里程、充電時間的要求越來越高，行之有效的電池熱管理系統(tǒng)，對于提高電池包整體性能具有重要意義。
熱管理想要達到的效果：


Pack內熱過程


熱管理系統(tǒng)的分類


各熱管理系統(tǒng)具有自己的特點和優(yōu)勢，目前國內以液體熱管理系統(tǒng)為主流
不同電芯介紹




圓柱電芯模組


特斯拉圓柱電芯模組




國內某圓柱電芯模組


方形電芯模組




1-端板； 2-引出支座 3，4-正負極保護蓋；
8-蓋板； 9-導電排； 10-線束板；
14-側板； 15-隔熱墊； 16-底板。
軟包電芯模組


某L電池模塊
電池粘接于殼體上，該殼體由塑料件和鋁鈑金件（厚度0.35mm）組合而成（塑料鉚接），鋁板的結構便于將電池的熱量轉移至邊緣處，易于實現模塊的散熱，塑料件用于絕緣以及相互卡接形成一個電池單元


某S電池模組
外部鋁端板，電池通過上下端板和塑料壓板固定


軟包模組
軟包模組主要零件：端板、蓋板、導電排、散熱板、緩沖墊、NTC


散熱單元


爆炸圖
圓柱電芯熱管理


冷卻管道內部被分成四個孔道，為了防止冷卻液流動過程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動的流場設計，冷卻管道的兩個端部既是進液口，也是出液口。
電池之間及電池和管道間填充電絕緣但導熱性能良好的材料（如Stycast 2850ct），其作用使（1）將電池于散熱管道間的接觸形式從線接觸轉變?yōu)槊娼佑|，增大傳熱效率；（2）促進電池間熱交換，有利于提高單體電池間的溫度均一度（相當于被動熱均衡）；（3）提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫升。
方形電芯熱管理


寶馬直冷熱管理系統(tǒng)


冷板溫度分布


某W電池熱管理系統(tǒng)
內部搭載有32個VDA模塊，每四組模塊共用一個冷板，冷板與冷板之間通過管路并聯連接，使系統(tǒng)溫度性能最優(yōu)，其中冷板采用攪拌摩擦焊冷板，冷板和管路通過快插連接。
軟包電芯熱管理


不同電芯熱管理比較分析


相同之處：
1、通過增加散熱通道，提高散熱效率；
2、通過使用高導熱介質，提高導熱速率；
3、通過主動冷卻方式；
導熱和散熱
不同之處：
1、采用的導熱介質不同；
2、散熱路徑和散熱通道不同；
3、散熱面積及有效散熱面積比不同；
4、冷卻介質也有不同；
5、冷板布置方式不同；
6、散熱器效果不同。
二、電芯熱管理設計


客戶輸入
冷卻要求：
高溫環(huán)境，告訴工況冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；
高溫環(huán)境，爬坡工況（10%坡度）冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；
高溫環(huán)境，快充工況冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；
加熱要求
-20攝氏度低溫環(huán)境，加熱至0攝氏度，時間30min;
-30攝氏度低溫環(huán)境，加熱至0攝氏度，時間50min；
溫差要求：冷卻：<5攝氏度，加熱：<10攝氏度；
保溫要求：高溫和低溫24H溫度保持情況
根據客戶輸入轉化為不同工況電池的充放電倍率發(fā)熱功率。
發(fā)熱功率估算
電池發(fā)熱功率的表達式為：


式中：U為電池開路電壓；I為電池電流；V為電池負載電勢，以上三項分別表示不可逆內阻熱、可逆熵熱和混合熱。
隨后Thomas和Newman證實，在電池的設計過程中，如果減小極化濃度差，混合熱可以忽略不計，公式(1)簡化為：


目前多采用此方法，但是根據發(fā)熱功率影響因素一定要確定哪個SOC、哪個溫度、哪個充放電倍率下的內阻。
一般情況下會給出50%SOC25℃1C充放電下的內阻，但在充放電末端內阻值會變大，發(fā)熱功率也會變大。
其他發(fā)熱功率估算方法：
依據充放電能量效率計算：
依據充放電電壓曲線及SOC~OCV曲線計算；
發(fā)熱功率估算


電芯溫度情況


熱管理初步設計—導熱




導熱材料主要關注點：
導熱性能、密度、阻燃性能、絕緣性能、熱穩(wěn)定性、壓縮回彈性、拉伸和耐磨性能、粘接性、使用溫度、耐久性




在模塊中應用石墨片后對加熱速率影響不大，沒有加快加熱速率；
使用石墨片后加熱過程溫差變小，極柱間溫差可減小近2攝氏度，電池組最大溫差可減小1.5攝氏度，均溫效果明顯。
熱管理初步設計—散熱






熱管理初步設計—冷板支撐結構










仿真分析
仿真要求：
根據邊界輸入，進行流場和溫度流場仿真，包括壓力情況、速度情況、流量情況、不同工況的溫度情況。
實驗驗證
實驗驗證：
1、對模擬結果進行驗證；
2、了解熱管理真是性能；
3、比較模擬和實驗結果差距；
4、根據結果分析，提出優(yōu)化方案。
隔熱保溫設計
從目前電池系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，采用液冷系統(tǒng)越來越多，因此箱體隔熱設計越發(fā)重要。
意義：
1、保持系統(tǒng)內部溫度，有利于低溫充放電，延長使用壽命；
2、保持系統(tǒng)內部溫度，降低高溫路面熱輻射對系統(tǒng)內部溫度的影響；
3、外部出現火燒或者高溫時，保持電池包內部正常溫度，延緩電池熱失控，提高安全性；
4、在電芯發(fā)生熱失控時，能起隔熱作用，抑制熱擴散，延緩事故發(fā)生；
5、在電芯發(fā)生齊活時，延緩火勢蔓延，增加逃生時間。
常見保溫材料：
泡棉（包括PU、CR、EVA和PE等）、絨毛毯、二氧化硅氣凝膠、發(fā)泡硅膠、成瓷隔熱片、石墨烯隔熱等。 
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