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新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程介紹

目錄:媒體報(bào)道星級(jí):3星級(jí)人氣:-發(fā)表時(shí)間:2018-01-30 15:01:00
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動(dòng)力電池系統(tǒng)指用來給電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)提供能量的一種能量?jī)?chǔ)存裝置,由一個(gè)或多個(gè)電池包以及電池管理(控制)系統(tǒng)組成。動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以滿足整車的動(dòng)力要求和其他設(shè)計(jì)為前提,同時(shí)要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計(jì)等方面。比如整車廠會(huì)針對(duì)要設(shè)計(jì)的整車,在考慮安全設(shè)計(jì)、線束連接線設(shè)計(jì)、接插件設(shè)計(jì)等相關(guān)要求后,形成一個(gè)有限的動(dòng)力電池系統(tǒng)空間大小。然后在有限的空間約束下,進(jìn)行電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)等布置,保證電池單體及模塊均勻散熱,保證電池的一致性,提高電池系統(tǒng)的壽命與安全。

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程

1、確立產(chǎn)品開發(fā)流程

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)流程應(yīng)與電池包開發(fā)流程保持一致。熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)貫穿于整個(gè)電池包的設(shè)計(jì)過程中,在整車開發(fā)經(jīng)過A樣件、B樣件、C樣件、D樣件以及最后的產(chǎn)品5個(gè)階段,電池?zé)峁芾韰⑴c每個(gè)階段的設(shè)計(jì)、更改、試制以及驗(yàn)證。

2、確立熱管理開發(fā)流程

設(shè)計(jì)性能良好的電池組熱管理系統(tǒng),要采用系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法。電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程包括如下7個(gè)步驟:

(1)確定熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)和要求;

(2)測(cè)量和估計(jì)模塊生熱及熱容量;

(3)熱管理系統(tǒng)首輪評(píng)估,包括選定傳熱介質(zhì)、設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)等;

(4)預(yù)測(cè)模塊和電池組的熱行為;

(5)初設(shè)設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng);

(6)設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn);

(7)熱管理的優(yōu)化及上線。

3、確定電池工作最優(yōu)工作溫度范圍

由于氣候和車輛運(yùn)行條件對(duì)電池影響很大,所以設(shè)計(jì)電池包熱管理系統(tǒng)(BTMS)時(shí)需要確定電池組的主要電池種類及最優(yōu)的工作溫度范圍。目前電動(dòng)汽車用電池主要有鉛酸電池、氫鎳電池和鋰離子電池。

(1)鉛酸電池的壽命隨溫度增加線性減少,充電效率卻線性增加,隨著電池溫度的降低充電接受能力下降,特別是0℃以下。鉛酸電池一般需要保持電池組內(nèi)溫度的均勻分布和控制現(xiàn)有鉛酸電池溫度在35~40℃之間。

(2)氫鎳電池當(dāng)溫度超過50℃時(shí),電池充電效率和電池壽命都會(huì)大大衰減,在低溫狀態(tài)下,電池的放電能力也比正常溫度小得多。氫鎳電池的工作運(yùn)行范圍應(yīng)該在0~40℃之間。

(3)鋰電池與氫鎳電池、鉛酸電池相比,能量密度更高,導(dǎo)致生熱更多,所以對(duì)散熱要求更高。常規(guī)的鋰電池工作溫度:-20℃~60℃之間。

4、電池?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)

電池不是熱的良導(dǎo)體,電池表面溫度分布不能充分說明電池內(nèi)部的熱狀態(tài),通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算電池內(nèi)部的溫度場(chǎng),預(yù)測(cè)電池的熱行為,對(duì)于設(shè)計(jì)電池組熱管理系統(tǒng)是不可或缺的環(huán)節(jié)。

(1)電池充電過程中的反應(yīng)生熱

第1階段:

沒有發(fā)生過充電副反應(yīng)之前,生熱量主要來自: 電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。

第2階段:

在發(fā)生過充電副反應(yīng)之后,生熱量主要來自:電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。其中大部分的生熱量來自于過充電副反應(yīng)生熱。充電末期和過充電時(shí),過充電副反應(yīng)就開始發(fā)生。

(2)電池放電過程中的反應(yīng)生熱

池放電過程中的反應(yīng)生熱主要來自: 電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。氫鎳電池放電時(shí)化學(xué)反應(yīng)是吸熱反應(yīng),能吸收一部分熱量,所以生熱問題不是很嚴(yán)重。

電池的內(nèi)阻是影響電池生熱速率的關(guān)鍵指標(biāo),它隨著電池SOC變化,在得到電池內(nèi)阻值后可以通過計(jì)算獲得電池生熱量,下圖是某12V~80Ah氫鎳電池模塊在不同SOC下的內(nèi)阻值。

5、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池箱內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異,會(huì)加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性,如果長(zhǎng)時(shí)間積累,會(huì)造成部分電池過充電或者過放電,進(jìn)而影響電池的壽命與性能,造成安全隱患。一般情況下,中間位置的電池容易積累熱量,邊緣的電池散熱條件要好些。所以在進(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)計(jì)時(shí),要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來,通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種,如下圖所示。

6、風(fēng)機(jī)與測(cè)溫點(diǎn)選擇

在設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)人員都希望選擇的風(fēng)機(jī)種類與功率、溫度傳感器的數(shù)量與測(cè)溫點(diǎn)位置都恰到好處。以空冷散熱方式為例,設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)時(shí),在保證一定散熱效果的情況下,應(yīng)該盡量減小流動(dòng)阻力,降低風(fēng)機(jī)噪音和功率消耗,提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

7、熱管理系統(tǒng)性能評(píng)估

熱量仿真測(cè)試是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)最有效的評(píng)估手段之一。根據(jù)目前已有的風(fēng)冷和水冷項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),熱量仿真測(cè)試可以完成如下工作:

(1)水冷系統(tǒng)冷卻板的壓降計(jì)算以及冷卻水流動(dòng)一致性計(jì)算;

(2)電池包熱性能評(píng)估計(jì)算;

(3)空氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算。