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热管理功能

来源:杭州高特电子设备有限公司      发帖时间:2018-07-26      浏览次数:583

热量的积累是造成电池系统出现故障及安全事故的重要原因。电池组的热管理系统作为电池管理系统中不可或缺的部分,它的研究与开发是现代电动汽车中关键的一环,也是提高整车性能的重要手段。电池系统的热管理就是通过冷却或加热的方式对电池系统进行温度控制。由于动力电池系统所处环境及自身温度直接影响其正常运行、循环寿命、充电可接受性、输出功率、可用能量、安全性和可靠性,因此,为了使电池系统达到最佳的性能和寿命,需要通过引入热管理系统对电池进行低温加热、高温散热以及保温管理,限制电池的温升以及温差,从而实现电池组温度均匀化,保证电池工作在适宜的温度范围内,降低电池性能衰减速度并消除相关的潜在安全风险。通过热管理系统对温度进行调节和控制,使动力电池在运行过程中始终保持在合适的温度范围,对提高动力电池系统的性能和效率,延长其使用寿命,降低电动车辆的成本,保障电动车辆的安全使用等方面都有重要的现实意义。


温度高低对于锂离子动力电池的整体性能,包括电池的容暈、功率、充放电效率、安全性和寿命等都有着非常显著的影响。由于动力电池具有适宜的工作温度范围,在此范围内随着温度增加其内部活性物质的活性越大,电池的充放电效率也相应增加。但是,当温度超过一定范围,温度过高则会加快电池内部副反应的进行,这些副反应消耗锂离子、溶剂以及电解液等,导致电池性能衰减。同样,温度过低则电池内部活性物质的活性明显降低,其内阻、极化电压增加,充放电功率和容量均会显著降低,甚至引起电池容量不可逆衰减,并埋下安全隐患。


由于锂离子动力电池具有一定的内阻,并且时刻发生着不同程度的电化学反应,因此除受环境温度影响,锂离子动力电池性能还受自身产热而引起温升和温差的影响。研究表明,锂离子动力电池的生热速率与其工作电流呈二次曲线关系,生热速率随电流的增大而急剧增大,尤其是高倍率充电时温升较大。在环境温度较高的情况下或大倍率充放电时,必须采取相应的散热措施,同时对充放电功率进行限制,控制温升水平,否则电池会因过热而导致性能衰退、寿命缩短,甚至产生热失控的危险状态。在低温环境下,虽然在小电流充放电过程中,由于电池内阻的作用能产生一定的热量,而电池放电所产生的热量不足以使电池保持比较高的温度,因此在低温环境下,电池的充放电功率性能受限,需要对动力电池进行预加热,才能维持电池的性能。


另外,电池箱体内部温度场长时间的不均匀分布也会造成各电池模块、单体性能的不均衡,尤其是分布在高温区域的电池老化速率会明显快于低温部分,随着时间的积累不同电池之间的物性差异将越加明显,从而使得电池之间的一致性变差,甚至发生提前失效,缩短了整个动力电池系统的寿命。


热管理系统的功能主要包括:

① 电池温度的准确测量和监控;

② 电池模组温度超过限值时,能有效散热和降温;

③ 低温条件下的快速加热,使得电池系统处于能正常运行的温度范围;

④ 保证电池组温度场的均匀分布,降低单体电池之间的温度差异.


根据热管理的功能要求,首先要需要通过BMS对电池系统温度可靠精确的测量,这是整个热管理系统的基础,是热管理控制策略的主要依据。一般温度采集方案通常通过NTC的采集来实现,确保在-40125℃范围内温度检测精度不大于±2℃。再根据整车典型的运行工况和锂离子电池的发热功率,选择合适的热管理方式,基于电池的温度特性合理设计热管理策略,保证电池包内各个电池都工作在合理温度范围内,同时尽量维持电池包内各个电池及电池模组之间的温度均匀性。一般的热管理方案有冷却、加热、保温等措施。


1.冷却方案


常见的冷却方式主要有自然冷却、强制风冷、液冷和直冷,这四种冷却方式的冷却效率依次增强。冷却效率主要是通过对流换热系数来表征,一般情况下根据整车使用环境、整车工况和电芯特性确定系统所需要的对流换热系数,然后综合质量、空间和成本等因素确定冷却方式。


如图3.1.51所示,冷却方式的选择包括如下步骤:①冷却系统目标确认?,②产热功率计算;③电芯模型建立;④热流体仿真分析;⑤对流换热系数分析;⑥冷却方式选择


3.1.51冷却方式选择

按照冷却介质的不同,现阶段已经有产品应用的冷却方式主要分为空气冷却、液体冷却和相变材料冷却等三种方式。这三种方式的冷却散热能力依次增强,但冷却系统的结构复杂度也依次增加。除了根据冷却介质进行区分以外,也常常依据制冷散热过程中是否消耗额外能源分为主动冷却和被动冷却两种形式。


2.加热方案


由于汽车地域适用性较为广泛,在冬季寒冷地区要使电动车辆能正常使用,必须对电池加入额外的加热系统以满足要求。尤其是冬季低温条件下,电池的活性变差,负极石墨材料的锂离子嵌入能力下降,如果采用大电流充电则电池内部可能出现析锂,影响充电效率和安全。因此,为了在低温环境下能够保证电池正常充电,需要对电池进行加热升温。常见的加热方式有三种:电加热膜加热、陶瓷PTC加热和液热。加热膜属于电阻加热方式,一般是将金属加热丝封装于绝缘层内,金属丝通电之后发热可对电池系统进行加热。PTC加热器也是电阻加热的一种,不同的是它的电阻会随自身温度的升高而增大,从而达到恒温加热的效果。液热则是通过整车PTC加热部件将冷却液加热到一定温度,利用主动液冷系统来对电池系统加热的一种方式。加热方式的选择主要是根据电芯升温速率、空间限制、对安全性的要求和成本来确定的,其中三种加热方式的主要特性对比如表1所示。


1常见的三种加热方式特性


电加热膜设计主要包括:加热膜安装位置选择、加热膜发热功率选择、加热回路内部的串并联方式及干烧温度控制要求等。


如果不受安装空间限制,可选用PTC加热片,其设计主要包括:PTC 加热片安装位置、PTC加热片发热功率、加热回路内部的串并联方式、干烧温度控制要求等。


如果采用的是主动液冷系统,则可以集成液热,主要确定冷却液入口温度和流量。


3.保温方案


针对南方夏季高温天气,车辆在长时间高温热辐射作用下,热量会进入到电池箱内部,导致电池箱体内部温度过高。针对北方冬季严寒天气,车辆停放时间较长之后,电池箱体内部温度会快速下降,影响车辆的再次充电和启动或者在对动力电池系统进行加热过程中,由于电池箱散热速度太快,也会影响加热速度和效果。因此,需要通过保温设计减少外部夏季高温或者冬季低温环境对电池箱内部电池的影响。通常采用保温材料起到隔热的作用,减少外部环境因素的影响。


保温系统通常是配合冷却系统和加热系统完成工作,优良的保温系统不仅可增强冷却和加热的效率,而且还可以降低能耗,保温设计主要包括:保温材料选择、箱体保温材料的布置方案设计等。
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