動力電池熱管理培訓

1、新能源汽車動力電池熱管理培訓Page 1 內(nèi)部電阻生熱導致的電芯溫度升高 在高充放電電流下，電芯內(nèi)部的歐姆熱使電芯溫度迅速上升。如無合適的冷卻，電芯很快就會達到不安全溫度，導致電芯過熱。 電池包必須有合適的熱管理系統(tǒng)才能正常工作。MGL-8Ah鋰離子電池，15C 放電率Panasonic-6.5Ah鎳氫電池, 15C 放電率電池包熱管理的重要性（1）Page 3電池包熱管理的重要性（2） 電池包內(nèi)任一個電芯的溫度都不應超過許可的最高工作溫度 電芯的最高溫度超過60C時就潛在發(fā)生因過熱導致的的電芯安全性問題。 雖然電芯過熱的后果是可能導致整個電池包燒毀，但把電池包內(nèi)的電芯溫度控制在60C以下屬于

2、接近常溫的傳熱問題，在傳熱學上和散熱設計上都算不上是一個很大的挑戰(zhàn)。電池包傳熱設計中真正有挑戰(zhàn)的問題是： 準確地估計電芯的散熱量； 合理地選擇冷卻方式及設計冷卻系統(tǒng)； 使電池包內(nèi)所有電芯間的最大溫差及每個電芯的最大溫差都不大于5C。SafeSafePage 4電池包熱管理的重要性（3） 電芯溫度對電池包安全性和性能的影響 20 45 C是鋰電池電芯的理想工作溫度區(qū)間。這個接近環(huán)境溫度的溫度范圍聽起來不是什么挑戰(zhàn)，但實際上越接近環(huán)境溫度，冷卻設計就越不容易：電芯溫度和環(huán)境的溫差越小，冷卻系統(tǒng)向環(huán)境傳熱的驅(qū)動力就越??；當環(huán)境溫度等于或高于電芯工作溫度時，就必須借助制冷系統(tǒng)冷卻電池。 一個電池包可以

3、有近百個或幾百個電芯，所以控制這些電芯溫度的均勻性不是一件易事： 最熱的電芯決定了整個電池包的安全； 最冷的電芯決定了整個電池包的性能； 一個電芯內(nèi)和電池包內(nèi)電芯間的最大溫差決定了整個電池包的壽命。 電池包熱管理是通用在開發(fā)Volt時的最大挑戰(zhàn)。電池包的造價和安全性問題，及電池包熱管理所需的電池和傳熱學知識，是做電池包冷卻的工程師市場價值高的客觀原因。Page 5鋰離子電池的內(nèi)阻（1） 電芯的內(nèi)部電阻 鋰離子電芯內(nèi)部的電阻由三部分構(gòu)成：歐姆電阻，極化電阻，和濃度電阻。 歐姆電阻是電子電流的導電阻力，而極化電阻和濃度電阻是離子電流的導電阻力。 內(nèi)部電阻的溫度和SOC或DOD （= 1 SOC）的

4、關(guān)系主要反映了電池結(jié)構(gòu)及電解質(zhì)的特性： 溫度越低，放電深度越大，電芯內(nèi)阻就越大。Page 6鋰離子電池的內(nèi)阻（2） 10秒高脈沖功率下的直流電阻 鋰離子電芯內(nèi)阻可以有兩種方法評估： 1kH的交流脈沖電流作用下的電抗； 由HPPC型譜下直流脈沖電流測得的直流電阻，電流脈沖時間可選擇1秒，5秒或10秒。 保守起見，應采用10秒直流電阻計算熱量，它綜合考慮了電子電流和離子電流的電阻。Page 7電池包使用過程中熱量的生成（1） 電池包使用過程中電芯的生熱量 電池包生熱可按下式計算Q = I2 Ri nI = 是按移動時間窗口 t 計算的每個電芯的平均電流Ri = 電芯內(nèi)阻n = 電池包內(nèi)電芯的數(shù)目

5、I2t電流的概念 電芯溫度對熱量的跟隨性取決于電芯的熱容量。熱容量越大，電芯的溫度反應就越慢，電芯的熱過載能力就越強。電池包的冷卻設計不應以瞬態(tài)電流計算，這會導致過設計。電池包冷卻應采用I2t電流計算熱量。根據(jù)電芯負荷的不同，移動時間窗口 t 可以是30s，60s 或 120s。為準確反映動態(tài)特性，負荷越大，時間窗口就應越小。Page 8電池包使用過程中熱量的生成（2） I2t電流的計算 電池包使用時的電流隨驅(qū)動條件及能量管理要求而變化，瞬態(tài)電流值可達200A或更高。但瞬態(tài)高電流的持續(xù)時間極短，所以不能建立電芯溫度和瞬態(tài)電流的關(guān)系，也就無法根據(jù)瞬態(tài)電流去設計電芯的散熱。這就是我們通常所說的系統(tǒng)

6、對溫度反映的時間常數(shù)問題。 實際電芯散熱是根據(jù)選定的移動窗口通過I2t電流進行計算設計的。下式給出I2t電流和平均電流的計算公式：Page 10電芯、模組和電池包在電池包冷卻系統(tǒng)中的功能 電芯、模組和電池包在電池包熱管理中的作用電芯：定義了電池包生熱，但不能決定電芯溫度因無法定義散熱邊界，是被控制環(huán)節(jié)。 電化學發(fā)生在電芯內(nèi)部，因而電池包驅(qū)動電流和生熱的關(guān)系定義在電芯環(huán)節(jié)。 電芯生熱、儲熱，及向冷卻介質(zhì)的散熱這三者的關(guān)系決定了電芯的工作溫度。模組：定義了電芯和冷卻介質(zhì)的關(guān)系，是冷卻設計也是控制電芯溫度及其均勻性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 電芯生熱通過模組定義的冷卻邊界散給冷卻介質(zhì)，模組是電芯散熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電

7、池包：是各模組冷卻子系統(tǒng)的集成環(huán)節(jié)，也定義了冷卻介質(zhì)把電池散熱傳到電池包外的方式。 熱管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對冷卻介質(zhì)的溫度及流量控制實現(xiàn)對電池包內(nèi)電芯的熱管理。 決定了冷卻介質(zhì)在電池包內(nèi)的分布，也決定了冷卻介質(zhì)是如何把所吸收的電芯熱量傳到電池包以外的散熱單元并通過其散給環(huán)境，確定了冷卻系統(tǒng)的特性。但并不一定直接針對環(huán)境。Page 11電池包冷卻方式的選擇 （1） 直接和間接冷卻系統(tǒng) 直接冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)在模組內(nèi)直接和電芯接觸，間接冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)通過熱傳導單元把熱量傳到模組外，冷卻介質(zhì)和熱傳導單元直接接觸并把熱量帶走?？绽渲苯永鋮s系統(tǒng)水冷直接冷卻系統(tǒng)空冷間接冷卻系統(tǒng)水冷間接冷卻系統(tǒng)Page

8、 12電池包冷卻方式的選擇 （2） 直接空冷和直接水冷的區(qū)別 在電池冷卻系統(tǒng)中，電芯是熱源，環(huán)境是熱匯。最高的溫度是電芯，最低的溫度是環(huán)境的空氣。根據(jù)冷卻介質(zhì)和環(huán)境的關(guān)系，可定義如下：環(huán)境空氣是一次冷卻介質(zhì)，冷卻水是二次冷卻介質(zhì)。二次冷卻介質(zhì)處于自身的封閉系統(tǒng)中，不和環(huán)境空氣直接接觸，必須通過散熱器向環(huán)境散熱。 直接空冷的優(yōu)點是可以從駕駛艙取空調(diào)過的空氣，避開環(huán)境溫度約束；同時，不需專門設計電池包排氣。缺點是由于空氣熱容量小，傳熱系數(shù)小，進出口空氣溫差大，不利于控制電池包內(nèi)電芯間的最大溫差。 直接水冷的優(yōu)點是可以利用水的高熱容量及高傳熱系數(shù)有效地控制電池包內(nèi)電芯間的熱均勻性。缺點是每個電芯都要

9、有自己的冷卻水路，水冷設計困難；同時，由于冷卻水是二次冷卻介質(zhì)，需通過散熱器把冷卻水吸收的熱量散給環(huán)境，而散熱器的散熱能力受冷卻水和環(huán)境溫度之差限制；由于增加了水泵，散熱器及冷卻風扇，系統(tǒng)造價高，耗能大。但直接水冷系統(tǒng)不容易導致熱失控。Page 13Print Date: 7/19/2016Revise Date: 20167-20電池包冷卻方式的選擇 （3） 間接空冷和間接水冷的區(qū)別 間接冷卻僅能用于矩形硬包電芯和軟包電芯，不能用于圓柱形電芯。目前應用圓柱形電芯的上市產(chǎn)品大多采用直接空冷。軟包電芯的間接冷卻需通過導熱板把熱量傳導到電芯外部，冷卻介質(zhì)僅對導熱板進行冷卻。硬包電芯的間接水冷還可以

10、采用電芯直接和冷卻板接觸的方式冷卻。 間接空冷系統(tǒng)仍然可以從駕駛艙取空調(diào)過的空氣，避開環(huán)境溫度約束，也不需專門設計電池包排氣。電芯內(nèi)的溫差由導熱板決定。其缺點仍然是由于空氣熱容量小，模組進出口空氣溫差大。傳熱系數(shù)小的問題可以通過強化傳熱技術(shù)改善。另一個缺點是由于風道的原因電池包布置不太緊湊。 軟包和硬包電芯都可以用間接水冷冷卻，可以從不同側(cè)面采用多個冷卻板冷卻。間接水冷的優(yōu)點是溫度均勻性好。由于間接冷卻，水路簡單。但缺點是冷卻水是二次冷卻介質(zhì)，需通過散熱器把冷卻水吸收的熱量散給環(huán)境，而散熱器的散熱能力受冷卻水溫度和環(huán)境溫度之差限制；由于增加了水泵，散熱器風扇，系統(tǒng)造價高，耗能大。間接水冷系統(tǒng)很

11、難保證電芯和冷卻板的良好接觸，極易產(chǎn)生接觸熱阻，使傳熱惡化。電池包內(nèi)電芯越多，冷卻板越大，這個問題就越嚴重。Page 14電池包冷卻方式的選擇 （4） 間接空冷和間接水冷系統(tǒng)的附加傳熱熱阻 間接冷卻時如采用高導熱系數(shù)的鋁導熱板，電芯內(nèi)部溫差由鋁導熱板控制，均勻性較好。如無導熱板時，電芯內(nèi)部溫差由電芯自身的導熱特性決定。 無論是否使用導熱板，間接冷卻都增加了傳熱環(huán)節(jié)，即增加了電芯和冷卻介質(zhì)間的溫差。采用水冷時，冷卻能力受環(huán)境溫度影響較大。 對間接水冷系統(tǒng)，當不采用導熱板時，對電芯的幾何尺寸控制要求較高，也不應該在熱膨脹較大的電芯側(cè)面布置冷卻板，以免電芯因受到擠壓而損壞。Page 15電池包冷卻方式的選擇（5） 間接空冷模組的電芯傳熱途徑分析 由于電芯的內(nèi)部溫度是無法測量的，所以，無論風冷還是水冷，在間接冷卻時一定要對電芯的傳熱途徑有清楚的了解才能合理地設計電池包的冷卻系統(tǒng)。CellsThermal padCooling finModule frameHeat conductionHeat conductionHeat convectionAir flowPage 16電池包冷卻方式的選擇 （6） 高溫環(huán)境下的電池冷卻系統(tǒng) 在電池包冷卻過程中，電芯是熱源，環(huán)境