电池热管理知识总结

1、一（1）3.4.1 电池组热管理系统的功能电池组热管理系统的主要功能如下： 电池温度的准确测量和监控；电池组温度过高时的有效散热和通风；低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；有害气体产生时的有效通风；保证电池组温度场的均匀分布。3.4.2 电池组热管理系统的关键技术电池组热管理系统的关键技术有：确定电池最优工作温度范围；电池热场计算及温度预测；传热介质选择；热管理系统散热结构设计；风机与测温点选择3.4.3 电池组热管理策略热管理从性质上可分为降温过程和升温过程。（1） 降温热管理 降温热管理最直接的目的是防止电池组的温度超过电池工作的最高温度，进一步的要求还包括：控制电池组的温升，均衡

2、电池箱内各点的温度，保持各单体电池的温度一致，防止因温度不同而造成电池组间的电池性能差异。按照降温介质可以分为空气冷却法、液体冷却法和相变材料冷却法。其中，空气冷却是最便宜的方法；液体冷却除了需要盛放冷却介质的空间，还需在体外有额外的循环系统，相变材料冷却的方法较为昂贵19。温度是一个惯性比较大的环节，因此对空气冷却降温热管理使用滞环的方法来控制，如图 7所示，这样可以避免因温度在临界点波动造成风机频繁启停。2）升温热管理 对于锂电池而言，低温下电池负极石墨的嵌入能力下降。因此，低温主要是对锂电池的充电有负面影响，对电池的放电则影响不大20。在低温时，由于电池的活性差，电池负极石墨的嵌入能力下

3、降，这时大电流充电很可能出现电池热失控甚至安全事故。因此，当电池管理系统监测到电池温度过低时会发出控制信息，通知充电机进行小电流充电。另外，由于低温（低于-10 ）环境下，电池的内阻会增加。在充电过程中，电池就会产生更多的热量，使得电池的温度逐渐升高。这样在进行一定时间的小电流充电后，当监测到电池的温度正常后，即可通知充电机恢复正常模式充电。综合以上的策略，锂电池的热管理控制流程图如图 8 所示。二（2）12 电动车电池组热管理系统BTMS的主要功能BTMS 通常有以下几项主要功能4:( 1) 保持电池的温度均衡，以避免电池间的不平衡而降低性能;( 2) 通过使用气体、液体、导体与电池直接或间

4、接接触来主动或被动加热/冷却电池组;( 3) 消除因热失控引发电池失效甚至爆炸等危险;( 4) 提供通风，保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出，保证使用电池安全性。2 BTMS 设计关键技术21 确定电池最优工作温度范围不论在何种气候条件与车辆运行工况下，BTMS都要尽可能地将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范围内。所以设计 BTMS 的前提是要了解电池组最优的工作温度范围。本文研究的对象是磷酸铁锂电池，其安全工作温度: 充电时，10 +45 ; 放电时，30 +55 ，一般其最优工作温度范围为 10 50 5。22 散热方式的选择目前，使用较多的几种散热方式为风冷散热、水冷散热、空调制

5、冷和热电制冷6( 见表 1) 。在综合考虑了系统制作的难易程度和成本因素后，本文选择了风冷散热的方式，而且本田公司的思域和丰田的普锐斯也都采用了风冷散热方式。23 热管理系统散热结构设计电池包内不同电池模块之间的温度差异会加剧电池的不一致性，如果长时间积累会造成部分电池过充或过放，进而影响电池包的性能与寿命，并埋下安全隐患。电池包内电池模块的温度差异与电池组布置有很大关系，通常中间位置的电池容易积累热量，两边的电池散热情况较好。所以在进行电池组系统的散热结构的设计时，要尽量保证电池组散热的均匀性。对风冷散热而言，主要分为串行风冷和并行风冷 2 种。一般来说，采用并行方式进行通风更为有效7，每个

6、电池模块都可以吹到同样量的冷风，保证了模块间温度的一致性，并且电池组的温度可以用几个特定位置的温度传感器来显示，便于电池管理器对温度的采集8。本文采用并行风冷进行电池组散热。电池分为上下两排放置，并由 3 层支架固定在一起。每层支架上部横向开有 5 个长条形孔( 通道 1 5) ，3 层支架上的孔构成了纵向的 5 个通道，用于气流通过。空气从进风口进入下部导( 集) 流板，分成 5股气流对电池进行冷却，最后在上部导( 集) 流板汇集后从出风口排出( 见图 1) 。24 结构形式的分析本文主要是通过调整通道的间距以及改变集流板的倾斜角度，找出流速均匀性最好的散热结构。对于调整通道的间距，一种是间

7、距均等，另一种是使通道间距从左至右依次减小，通道间距的递减值分别为 1、2 和 3 mm，则每种方案下 5 个通道上的实际间距见表 2。调整气流通道的间距，也即是调整其流动阻力，通道间距越小，则意味着阻力越大，当气流通道间距从左至右依次减小时，阻力依次增大，这样空气会根据其受到的阻力重新分配流量，从而起到调整空气流速分布的目的。这是一种直接调整流速的方法。第 2 种方法是改变导流板与水平面夹角，本文采用了 3 种导流板倾斜角度方案，分别是 2°、4°和 6°。流体流动的根本原因就是压差，上下集流板倾斜角度的变化影响了通道两侧的压差，从而间接影响了流速6。这是一种间

8、接调整流速的方法。 25 流速均匀性分析本文采用 Gambit 软件生成网格，然后导入 Fluent软件来对结构形式进行模拟计算，得到每种结构形式中 5 个通道的流速，从而分析间距递减值和集流板倾斜角度对流速分布的影响，并确定出使流速均匀性最好的结构形式9 见图 2 5) 。取每一种结构变动形式中的最大流速和最小流速的差值作为指标来衡量其流速均匀性，结果如图 6 所示。可以看出，流速均匀性最好的结构形式是通道间距递减值为 2 mm，导流板倾斜角度为 4°的方案。3. 2 热管理系统控制流程温度较低时( 10 ) ，电池的活性较差，这时大电流充电可能引发热失控。因此，当系统监测到温度过

9、低时会发出控制信息，通知充电机进行小电流充电。充电过程中，部分电能转为热量，电池会逐渐升温。这样在充电一段时间后，当监测到电池温度恢复正常后( 10 ) ，即可通知充电机停机。由于低温主要是对锂电池的充电有负面影响，而电池放电过程属于放热反应，电池的温度会很快上升到适宜温度。因此，这一过程并不需要主动管理11。当测温模块检测到温度 70 时，系统报警; 温度 50 时，风机全速运行; 当 40 温度 50 时，风机进入节电模式采取中速运行，直到低于 40 时风机停机。综合以上的策略，热管理控制流程图参见图 7。3. 3 结果分析在实验室常温条件下( 25 ) 几种电池组散热方式测试结果如表 3

10、 所示。以上测试结果表明，改进后的并行通风可以明显降低电池组的温度，且将温差控制在3 以内，使电池温度维持在最优工作温度下且单体间温差最小。三（3）下面 将 采 用 通 过 仿 真 和 实 验 相 结 合 的 方 法，对SWB6116HEV 混合动力客车的 LiFePO4 电池包散热系统进行了研究，并在上述研究的基础上，找出了影响电池包散热性能的主要因素，对电池包散热系统进行了优化，得到了令人满意的结果。1 LiFePO4 电池的热物理模型为了对混合动力客车电池包中的热流场进行 CFD 仿真，首先应当建立单体 LiFePO4 电池的热物理模型。同其他类型的车载动力蓄电池一样，LiFePO4 锂

11、离子电池包含正极板、负极板、隔膜、电解质溶液等。由于电池的结构十分复杂，故对其内部热场的精确仿真存在较大的困难。为此可以对电池的热物理模型进行必要的简化。文献1中将电池的发热功率处理为关于电池电流强度的函数;文献2中使用了 ANSYS 软件对电池内部的热场分布进行了 2D有限元仿真，并通过仿真结果指出:可以将电池内部处理为沿三个正交方向具有不同导热系数的均匀固体材料。文献34给出了通过绝热实验测量单体电池发热功率和等效比热容的方法。根据文献4中建立的电池热平衡一般模型以及电池比热容的定义，绝热条件下有:四（4）1.3 几种常见的车载动力蓄电池动力蓄电池是混合动力车辆的关键技术装备之一，要求具有

12、高功率密度、高能量密度、高循环效率、良好的充电接受能力、低自放电率以及良好的一致性等。目前已有的几种蓄电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池以及锌空气电池1,35。1.3.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池（Lead Acid）已有 100 多年的历史，被广泛用作内燃机车的启动动力源。它可靠性好，原材料易得，目前仍是应用最广泛的车用动力蓄电池，但主要用于启动动力源。铅酸蓄电池活性物质在充电和放电时，发生可逆的化学变化过程，可以用以下化学方程式来表示：铅酸蓄电池经过灌装电解液和充电后，就可以从蓄电池的接线柱上引出电流。由于铅酸蓄电池中的 H2SO4浓度在放电过程中会逐渐减小，因此可以用比重计来测定H2S

13、O4的密度，再由铅酸蓄电池的电解液密度确定其放电程度。单体铅酸蓄电池的电压为 2V，通常所使用的蓄电池组是由多个单体蓄电池串联组成。在使用或存放一段时间后，单体电池的电压可能降低到 1.8V 以下，或者 H2SO4溶液的密度下降到31.2 g /cm 时，铅酸蓄电池就必须充电，如果电压继续下降，铅酸蓄电池将会损坏。铅酸蓄电池的特点是开路电压高，放电电压平稳，充电效率高，能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。因此国内外开发的称之为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸电池。铅酸蓄电池作为纯电动汽车和混合动力汽车的电源，虽尚有许多不足，如存在产生新的环境污染等问题，但由于其价格低廉，工

14、艺成熟，特别是近年来密闭技术已日趋完善，所以铅酸蓄电池在动力电源中仍占有一席之地。1.3.2 镍氢电池镍氢电池是一种碱性电池，它的比能量可达 80Wh/kg，比功率 160230W/kg，有利于提高混合动力车辆的动力性能和延长其续驶里程。镍氢电池可快速充电，循环寿命达到 1000 次以上。镍氢电池的正极是球状氢氧化镍（2Ni (O H )）粉末与添加剂钴等金属，用塑料和粘合剂等制成的涂膏涂在正极板上。镍氢电池的负极是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储氢和放氢的循环。镍氢电池的电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸

15、收，负极的金属转化为金属氢化物。当放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。镍氢电池的化学反应方程式如下：镍氢电池用于纯电动车辆及混合动力车辆上的主要优点有：起动加速性能好，快速充电时间短，一次充电后的续驶里程较长，不会对周围环境造成污染，易维护，且没有记忆效应。镍氢电池在充电过程中容易发热，在高温状态下，正极板的充电效率变差，并加速正极板的氧化，使电池的寿命缩短。负极储氢合金加速氧化，并使储氢合金平衡压力增加，储氢合金的储氢量减少，降低镍氢电池的性能。镍氢电池在充电后期，会产生大量的氧气，如果安全阀不能及时开启，会有发生爆炸的危险

16、。1.3.3 锂离子电池锂离子电池的正极采用2LiMnO 等锂的化合物制造，负极采用天然球状石墨或片状石墨、人造石墨和层状石墨的锂碳化合物（6LiC ）等制造。由于锂的化学性能活泼，遇到水时会发生激烈的化学反应，所以必须采用非水性电解质，通常用有机溶剂/无机盐、无机溶剂/无机盐、固体锂离子导体或融熔盐组成。在锂离子电池中正极采用不同的材料时，其电化学氧化反应会略有不同。以MnO2为例：锂离子电池显示出很多优点，电压高达 3.64V，比能量达到 100200Wh/kg，比功率高达 1500W/kg，循环寿命可达 1000 次以上。充电放电效率高，功率输出密度大，没有记忆效应等。锂离子电池的主要问

17、题是快速充、放电的性能较差，需要进一步解决对其充放电过程的控制和配备专用的充电器。另外，锂的制取比较困难，管理和使用较复杂，要求有严格的安全措施，需要配备电子保护电路、电池管理系统和热管理系统等，因此其附属装置更复杂，也增加了电池组的造价。1.3.4 锌空气电池锌空气电池以锌为正极，以氧为负极，以氢氧化钾为电解质。锌空气电池的化学反应与普通碱性电池类似，但需要特殊的催化剂。在化学反应过程中，必须要与氧气作用，只要阻隔空气进入锌空气电池，即可控制电池的化学反应。因此锌空气电池的自放电率很低，可以长期保持活性。锌空气电池的化学反应方程式为：锌空气电池的理论比能量可达 1350Wh/kg，但目前的锌

18、空气电池的实际比能量值约为 180230Wh/kg。采用锌空气电池后，能够明显地延长电动车辆的续驶里程。成组的锌空气电池具有良好的一致性，没有像其他类型电池的充电和放电的不均匀现象。锌空气电池允许深度放电，其容量不受放电强度和温度的影响；它能在-2080的温度范围内正常工作，可以实现完全密封免维护。此外，锌空气电池在循环使用中，不会污染环境，生产成本也较低。但是，锌空气电池目前尚存在寿命短、比功率小，不能输出大电流及难以充电等缺点。1.4.1 电池组热管理的意义为确保混合动力汽车的电池组具有良好的工作性能，并延长其使用寿命，对电池组进行有效的管理和控制就显得尤为重要6。从国内外对动力电池组管理

19、系统的研究来看，混合动力汽车电池组的管理系统主要包括以下四个方面7：（1）电池荷定状态（SOC）的准确估计；（2）电池组均衡控制策略；（3）电池组热管理系统；（4）电池监控诊断与过载保护。在传统的燃油汽车上，电池组多用作发动机的起动及各类车载电子设备，其功率需求相对有限，所以对电池组热管理的研究在之前并未引起重视。但是随着各种限制车辆排放的法规的相继颁布，以及用户对车辆经济性需求的不断提升，动力电池组已成为混合动力汽车行驶时的主要能源之一。由于电池内阻的焦尔效应以及电池化学反应生成的反应热，给电池组带来了很大的热负荷。如果不能在车辆行驶过程中及时地带走上述热量，势必会影响电池的工作性能和使用寿

20、命，甚至可能给行车安全带来了很大的隐患。以常见的 Ni/MH 电池为例，工作温度和电流历史是影响 Ni/MH 电池寿命的最主要的两个因素8。Ni/MH 电池的最佳工作温度范围在 2040，但是当温度上升到 45时，其循环次数将减小近 60%；在高倍率充电时，每 5的温升将使电池寿命减半。锂离子电池也存在相似的问题，不仅如此，由于锂离子电池的高能量密度以及电池中所包含的化学反应物质，锂离子电池存在电解质燃烧和热失控的危险，在最糟的情况下甚至可能发生爆炸。由于上述原因，每节锂离子单体电池均需要诸如爆炸盘，阻燃电池套等额外的保护措施9。五（5）2. 电池热管理电池的热管理是电池管理系统的重要组成部分

21、，其主要功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池温度处于正常工作温度范围。电池管理的重点是通过分析传感器显示的温度和电池组的关系，确定电池组外壳及电池模块的合理摆放位置，使电池箱具有有效的热平衡与迅速散热功能，通过温度传感器测量自然温度和箱内电池温度，确定电池箱体的阻尼通风孔的大小，以尽可能降低功耗。在电池热管理设计过程中面临的主要问题有：（1）充放电时产生的反应热如何及时散出；（2）模块内部单体之间温度如何达到均匀分布 ；（3） 在环境温度较低情况下如何迅速将电池预热到正常工作温度范围。电池内部的电化学反应较为复杂，存在可逆和不可逆的反应而产生热量，使电池发热。电池温度的急剧上升将导致

22、电池的性能下降而且降低电池的使用寿命。电池运行温度和电池寿命以及电池性能之间的关系4如图 1 所示。因此必须将电池运行温度控制在一定的范围内。c) 电池热管理目前已经存在多种电池冷却和升温的方式，然而对于不同的电池包的结构形体和合理的通风散热通道设计对电池散热将带来很大的影响，另外电池的封装隔热保护也很重要。除此之外将电池内传热特性（电化学反应与导热特性）与外部散热结构相结合进行设计分析将是电池热管理系统设计的有效途径。电池管理系统作为一个系统，其内部结构是相互联系的。对于混和动力汽车动力电池而言，其工作电流波动很大，而且充放电转换相当频繁，如能通过辅助电容放电使电池既以近似恒流工作又能满足车

23、载要求，通过改变电池工作温度提高电池的充、放电性能，改变电池存放温度、湿度降低电池自放电，所有这些都将有利于提高电池 SOC 估计的精度，从而进一步完善混合动力汽车电池管理系统。六（6）1. 1 研究的对象利用CDF方法进行热环境的数值模拟时,必须建立数学模型。限于目前国内外CFD计算的水平,还无法对完全真实的复杂形状进行数值模拟,因此,在保证反映环境真实流动特性的前提下,本文对某一电动汽车电池包的结构作了局部简化,并取其中一组作为研究对象并建立计算所用的数学物理模型,如图1所示。1.3 网格划分及数值求解方法 利用GAMBIT软件建模并进行网格划分,由于电池包内结构比较复杂,为了尽可能真实的

24、模拟冷却气体在电池包内的流动情况,在空间较大的区域采用结构化网格,在某些特殊区域采用了非结构化网格,如在单体电池的侧面留有的通风冷却通道处。在网格划分时,考虑到单体电池侧面之间的通道和底座上出口处属于气流速度比较大,所以把长方形通道和圆形出口分别拉伸出一个体来,单独画网格并加密。同时设置合理的边界节点数,使加密网格与其他流场处网格保持良好的连接,保证计算时的精度。对于空气来说,当风速小于三分之一声速时,可以认为是不可压缩气体,因此,汽车电池包的冷却流场一般为定常、不可压缩三维流场。考虑到由于复杂形状引起的分离,应按湍流处理。应用有限差分法对控制方程进行离散,利用SIMPLES算法解离散控制方程

25、。1.4 边界条件的设定 由于数值模拟是在有限区域内进行的,需要给出定解条件,即初始条件和边界条件。它是控制方程有确定解的前提。本文研究对象有一个冷却气体进口,通过安装的鼓风机来实现。入口边界条件为速度:V =5m /s,温度:27C;出口边界条件为压力:101325Pa。冷却气体为空气,在一个标准大气压,摄氏27C时的密度Q=1.177kg /m3,动力粘性系数L=1.847*10-5kg/ms,运动粘度v =1.568*10-5m2/s。七（7）1.2.1 电池组高温放电冷却控制策略当BMS检测到单体最高温度大于 35 或温差大于 6 时，热管理系统风扇开启；当单体最高温度小于 30 或温

26、差小于 3 时，冷却风扇关闭。1.2.2 电池组低温放电加热控制策略当电池箱体最低温度T 5 时，加热电阻丝通电，热管理系统风扇开启；当电池箱体最低温度T 10 时，加热电阻丝断电。如果两箱体温差 T 3 ，热管理系统风扇依然开启，否则热管理系统风扇停止工作。热管理系统接到BMS信号，电阻丝开始加热，后座椅电池前端进风口风扇和行李厢电池出风口大功率风机同时工作，将加热电阻丝发出的热量在两电池箱体内部流通进行热交换，完成对低温电池组的加热过程。2.1 仿真分析边界条件空气采用不可压缩粘性流体模型，粘滞阻力与 20 空气相当，空气密度为1.184 15 kg/m3,湍流模型采用k f - 湍流模型

27、，空气流态属于紊流，入口边界采用压力入口，压力为 0 Pa，采用负速度出口，出口风速为10m/s。采用STAR_CCM+对电池内部流场进行分析。八（8）2 热管理系统设计的关键技术问题基于热管理系统的应用以及开发的重要性，国内外很多专家学者都发表了文献论述热管理系统的设计方法。美国国家可再生能源实验室(NREL)的A. Pesaran6等介绍的电池组热管理系统设计的过程比较系统，最具有代表性，其设计过程包括7个步骤：(1)确定热管理系统的目标和要求通过系统的合理设计，保障电池组在运行中，其整体温度处于适宜的范围以及各电池单体温度的一致性。(2)测量或估计模块生热及热容量借助于热量计的热流传感器

28、，可以测量电池与热量计之间的热交换，进而得到电池模块的生热量Q。已知电池模块的质量m和电池运行前后温差（Tm- Tc），可以用下列方程计算出电池的热容量Cp：(3)热管理系统首轮评估通过选定符合要求的传热介质，设计合理的散热结构等措施，研究影响电池热效应的各项因素，对电池管理系统进行性能评估，使其效果达到热管理的目的和要求。(4)模拟单体模块和电池组的热行为建立电池热模型是研究电池热行为的有效方法，美国加州大学的Yufei Chen7等用三维模型计算了锂聚合物电池内部温度场，其模型如下：式中：T是温度；是平均密度；Cp是电池比热；kx、ky、kz分别是电池在x、y、z方向上的热导率；q是单位体

29、积生热速率。电池热行为的模拟需获得电池组的生热速率，但准确测量电池的生热速率非常困难，通常用数学模型进行描述。美国伯克利大学D. Bemardi7提出的Bemardi生热速率使用最为广泛。(5)初步设计热管理系统根据动力电池的实际运行情况应采取不同的热管理系统，应综合考虑动力电池运行的不同环境和工况，选用适宜的导热材料，合适的传热工质，有效的加热和冷却方式，并且电池模块在散热系统中布置问题也是热管理系统值得重视的。(6)设计热管理系统并进行实验为了验证所设计的热管理系统有效性，需对其进行相关的实验。结合动力电池实际运行的情况，模拟在不同充放电倍率（0.5C，1C，2C等），不同环境温度（冬季/

30、 夏季）以及不同散热结构布置的情况下，研究动力电池的热效应对电池寿命、容量以及能量效率等性能的影响。3 热管理系统对于电池热管理类型的选择可以按传热介质进行分类，一般分为：空冷，液冷以及相变材料冷却三种方式。3.1 空冷系统不使用任何外部辅助能量直接利用车速形成的自然风将电池的热量带走，该方法简单易行，成本低。日本丰田公司的混合动力电动汽车Prius，本田公司的Insight 以及以丰田RAV-4电动汽车的电池包都采用了空冷的方式。目前空冷散热通风方式一般有串行和并行两种8：如图1所示，冷空气从左侧吹人从右侧吹出，空气被电池依次加热，越往右，空气的温度越高，冷却效果越差。电池箱内电池温度从左到

31、右依次升高，导致电池模块温度分布的不一致性，影响电池的冷却效果。如图2所示，并行通风方式使得空气流在电池模块间更均匀地分布。确保了吹过不同电池模块的空气流量的一致性，从而保证了电池组温度场分布的一致性。可以看出，空冷方式的主要优点有：(1)结构简单，重量相对较小；(2)没有发生液体泄漏的可能；(3)有害气体产生时能有效通风；(4)成本较低。缺点在于空气与电池表面之间换热系数低，冷却和加热速度慢。3.2 液冷系统液冷系统是利用液体相对于空气有着较高换热系数，可将电池产生的热量快速带走，达到有效降低电池温度的目的。液体冷却主要分为直接接触和非直接接触两种方式。非直接接触式液冷必须将套筒等换热设施与

32、电池组进行整合设计才能达到冷却的效果，这在一定程度上降低了换热效率，增加了热管理系统设计和维护的复杂性。对于直接接触式的液冷系统，通常采用不导电且换热系数高的换热工质，常用的有矿物油、乙二醇等。对于非直接接触式的液冷系统，可以采用水，防冻液等作为换热工质。随着纳米技术的发展，新型传热介质纳米流体不仅在科研，而且在应用上得到很大关注，纳米流体即以一定的方式和比例将纳米级金属或非金属氧化物粒子添加到流体中而形成的。研究表明9，在液体中添加纳米粒子，可以显著提高液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能。因此将纳米流体应用于电池热管理技术将会是将一个新的研究发展方向，值得引起广泛的关注。九（9）1 动力电池组散热模型的建立目前电动汽车用电池主要有铅酸电池、镍氢