电动汽车动力蓄电池及管理技术课件 第六章 电池产热和传热机理

电池产热和传热机理传热机理产热机理目录CONTENTS产热机理01-根据电池反应原理，从电化学角度分析可知锂离子电池热量主要来源于4个部分：电化学反应热Qr、焦耳热Qj、极化反应热Qp和副反应热Qs。产热来源概述-充放电时，锂离子在正负极材料间摇摆运动，进行嵌入与脱嵌，由此产生的热量即为电化学反应热Qr。-该热量是可逆的，放电时总是放热，充电时可能因条件不同表现为吸热或放热，但通常小于放电时的产热量。-计算公式：式中：nbat一电池数量；mbat一电池电极质量；Qche一化学反应产生热量的代数和；Ibat一电流；Mmol一摩尔质量；F一法拉第常数。010203电化学反应热-当有电流通过锂离子电池时，电极电位会发生偏移从而发生极化现象，进而使电池平均开路电压与端电压产生压降，因此产生极化热。-该热量是变化的，它受电池电流、种类、环境温度等影响，通常用虚拟等效极化内阻产生的焦耳热来计算极化热。-计算公式：式中，Rp一等效极化电阻。030201极化反应热01-电池内部由于有电阻的存在，充放电时有电流流过，因此会产生焦耳热Qj，通常为正值。02-该热量占锂离子电池总产热量的绝大部分。03-计算公式：式中，Rbat一电池内阻。焦耳热01-当电池过充、过放、发生自放电以及温度过高时，电极材料和电解质会发生分解从而产生热量，即副反应热Qs。02-该热量很小，相比于其他产热可忽略不计。副反应热-电池系统总产热量Qbat的计算公式为：总产热计算传热机理02-热量的传递主要有3种基本方式：热传导、热对流与热辐射。传热方式概述-物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为热传导或导热。+-热传导的原理可用傅里叶定律来描述，即在热传导过程中，单位时间内通过给定截面的热量与垂直于该截面上的温度变化率和截面面积成正比。+-数学表达式为：式中：qf一热流密度，W/m²；λ一导热系数，W/(m·K)；一电极等温面法线方向的温度梯度，K/m。+单层平壁热传导公式为：式中：Qsingle一单层平壁导热量；T1一第一层平壁表面温度；T2一第二层平壁表面温度；b一平壁厚度，m；a是平壁的传热面积，m²；λ一平壁导热系数；R一平壁热阻。-单层平壁热传导+多层平壁热传导公式为：-多层平壁热传导+热传导-热对流是指流动的流体，包括气体和液体与其相接触的固体表面，具有不同温度时所发生的热量转移过程。-对流换热以牛顿冷却公式为其基本计算公式，即对流换热量为：式中：α一对流换热表面传热系数，W/（m²·K）；A一换热面积，m²；ΔT一流体与壁面的温差，℃。热对流-物体温度只要高于绝对温度都会发生热辐射，而温度不同的物体间发生热辐射时能够传递热量，且温度越高，传递的热量越多，因此电池表面在进行对流换热的同时进行着辐射换热。-热辐射遵循斯特潘-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律，从定律中可知，热辐射的大小与物体表面材料、面积大小以及两者的绝对温差等有关。-计算公式为：式中：Qw一辐射换热量；一热辐射率，也是物体的黑度；$\delta$一斯特潘-玻耳兹曼常量；一辐射面1的面积；F12一辐射面1对被辐射面2的形状系数；T1和T2一辐射面1和被辐射面2的绝对温度。热辐射谢谢大家电池热管理系统风冷系统设计目录CONTENTS电池热管理系统概述01风冷系统概述02风道设计与分析03风冷系统应用与温控逻辑04电池热管理系统概述0101-电池热管理系统（BTMS）通过调控电池生热、传热与散热过程，确保其工作在适宜温度范围内。02-避免温度异常导致性能下降、安全风险或电池衰减。电池热管理系统的定义与作用-风冷式：结构简单，但电池包温度均匀性较差。-液冷式：通过冷却液与空调系统换热，控温效果更优，已成为主流方案。-相变式：利用相变材料潜热进行换热，适用于特定场景。-三种散热方式对比详见教材表6-1（项目包括易用性、易集成整合性、冷却电池能力等）。主要散热方式对比风冷系统概述02-风冷式散热以空气为介质，通过气流横掠电池组实现热量交换，达到散热或加热的目的。-根据驱动方式分为自然风冷与强制风冷：自然风冷利用车辆行驶形成的自然气流散热；强制风冷通过风扇或风机驱动气流。-根据是否依赖外部辅助能量分为被动式（无额外能耗）和主动式（需辅助供能）两类。010203风冷系统的定义与分类03-优化措施：优化电池散热面设计以增大散热面积，改进风道结构以优化气流分布。-定义：利用车辆行驶时产生的自然风对电池进行冷却，无需外部辅助能量（见图）。0102-特点：结构简单、成本低，主要依靠自然对流实现热量交换；散热效率较低，散热性能受环境因素影响较大。被动式风冷系统-定义：通过强制对流实现热量交换，可加装局部散热器或风扇，或利用车辆辅助/自带的蒸发器提供冷风（见图）。01-特点：降低了对电池封装设计的要求，适用于复杂系统，对电池布局及整车结构影响较小，灵活性较高。02主动式风冷系统风道设计与分析03-电池组内单体或模块间的温度差异会导致内阻与热量分布不均，长期积累可能引发过充、过放等问题，影响电池寿命、性能及安全性。Part01-温度不均与电池组布局密切相关：中心区域因散热条件差，温度较高；边缘区域散热良好，温度较低。Part02-设计需优先保证各单体散热均匀性。Part03温度均匀性的重要性-串行通风：气流单向流经电池单元，结构简单但温差较大。-并行通风：气流均匀分配至各单元，温差较小但结构复杂。-两种通风方式示意图见图。-两种通风方式对比详见教材表6-2（项目包括散热均匀性、系统流阻、结构、占据空间等）。通风方式分类与对比010302-根据散热需求与空间布局合理选择通风模式。-串行通风适用于结构要求简单、空间有限的场景。-并行通风适用于对温度均匀性要求较高的复杂系统。通风方式选择原则风冷系统应用与温控逻辑04-经济型燃油车（如小型家用轿车、紧凑型SUV）。-低性能电动车。-适用原因：成本低、易集成、维护简单，适合散热需求较低的车型，适应多种环境。-轻型商用车（如小型货车、皮卡）。02030104风冷系统适用车型1-典型温控逻辑如图所示，流程包括温度检测、判断是否超出故障阈值、上限阈值或下限阈值，进而执行相应操作（立即停止使用电池、开启温控冷却系统或开启温度加热系统）。-确保电池在适宜温度范围内工作，保障性能与安全。电池温控冷却逻辑谢谢大家液冷系统设计01液冷系统的概述02主动式与被动式液冷系统03液冷方式的选择04液冷系统技术趋势与总结-目录-液冷系统的概述01-液冷系统以液体为介质，通过冷却与加热实现动力电池温度调控，在散热效率要求较高场景中优于风冷系统。-兼具散热均匀性与温控精度，是大容量动力电池热管理的优选方案。基本概念与优势-被动式系统：冷却液直接与外界空气热交换散热，结构简单、成本低，但效率受环境温度制约。-主动式系统：通过液-液换热转移热量，冷却效率更高，但能耗较高，依赖泵与制冷系统运行。0102系统分类-电池模块间布置液冷管线：通过管线与电池间接接触换热。-设置包围电池的夹套结构：利用夹套中的液体实现热交换。-电池单体或模块直接浸没于冷却液中：通过直接接触进行高效热传递。液体介质接触方式主动式与被动式液冷系统02-工作原理：泵驱动冷却液流经电池组吸热，升温后经换热器与外界空气换热再循环。-特点：结构简单、成本较低，散热效率受环境温度影响大；高温环境需增大风扇风速或换热器面积，极端温度下无法满足散热需求。-系统组成：包含动力电池组、泵、液体-空气换热器、风扇等核心部件（参考图）。被动式液冷系统01-工作原理：通过发动机冷媒或空调制冷剂进行热交换，散热能力更强。02-特点：散热效率高，不受环境温度显著制约，但能耗较高，主要源于泵与制冷系统运行。03-系统组成：包含动力电池组、泵、液-液换热器、空调换热器等部件（参考图）。主动式液冷系统液冷方式的选择03-定义：液体直接接触电池模组完成换热，电池箱体充满冷却液，电池组完全浸泡其中。-结构示意：系统包含过滤器、锂电池组、油泵、散热器、储液器等，通过油液循环实现散热（参考图）。0201直接接触式液冷-定义：冷却液体不直接接触发热源，通过液冷板等结构导热，需与换热器及制冷循环耦合。-系统组成：主要包括电子水泵、换热器、电池散热板、热板、PTC加热器、膨胀水箱等（参考图）。间接接触式液冷01-液冷金属管：散热效果较好，均温能力中等，内部流阻大，加工方式为挤出+接头焊接，成本低，布置灵活性高，设计灵活性中等。02-液冷板：散热效果好，均温能力好，内部流阻中等（可优化），加工方式为挤压模/冲压版+焊接，成本高，布置灵活性较高（尺寸