1 熱管理的意義

隨著傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車所造成的環(huán)境問題以及石油資源的緊缺情況日益突出，國家陸續(xù)推出相關(guān)政策的大力推動電動汽車?近些年電動汽車發(fā)展迅猛，產(chǎn)銷規(guī)模日益擴(kuò)大?其中動力電池技術(shù)作為電動汽車發(fā)展的瓶頸，在電池技術(shù)上尋求突破是各大汽車廠商的共同目標(biāo)?

目前主流的動力電池主要為鎳基電池和鋰電池?其中鋰電池(磷酸鐵鋰?三元鋰等)具有能量密度高?無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，十分適合乘用車的使用需求，因而是目前各廠商的第一選擇?然而，鋰電池的放電性能具有較高的溫度敏感度，在0~40℃區(qū)域，電池的放電性能與使用壽命均較為穩(wěn)定，一旦超過了這個(gè)區(qū)間，電池的容量和壽命都會大打折扣?因此在電池充放電過程，需要盡可能將電池電芯溫度控制在0~40℃區(qū)域?

由于電動汽車消耗能量較大，往往需要由數(shù)百節(jié)乃至數(shù)千節(jié)電芯通過串聯(lián)和并聯(lián)組合在一起，形成動力電池包進(jìn)行能量儲存?因此每一節(jié)電芯的溫度都需要得到控制?

目前鋰電池的生產(chǎn)一致性依然不夠高，即使同樣的材料?生產(chǎn)工藝和批次生產(chǎn)出來的電池，其放電的能力以及放電過程產(chǎn)生的熱量均有差距?因此現(xiàn)階段的鋰電池電動汽車，必須建立良好的熱管理系統(tǒng)，以保證電池包各單體電芯的性能一致性?工作穩(wěn)定性?耐久可靠性?

電池?zé)峁芾?Battery Thermal Management)，主要指根據(jù)電池的電化學(xué)特性以及產(chǎn)熱機(jī)理，對動力電池各電芯的溫度進(jìn)行控制，以讓動力電池時(shí)刻在最佳溫度范圍工作?

電池?zé)峁芾淼闹饕δ馨?

①準(zhǔn)確地測量和監(jiān)控電池的溫度;

②在電池溫度較高時(shí)對電池進(jìn)行散熱;

③在電池溫度較低時(shí)對電池進(jìn)行預(yù)熱?

電池?zé)峁芾韺τ谀壳半妱悠噭恿﹄姵氐哪芰酷尫判阅芤约笆褂冒踩跃哂袠O其重要的意義，因此動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是電池組良好運(yùn)行的保證?要驗(yàn)證熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否可靠的，可以通過虛擬仿真分析?部件級耐久可靠性試驗(yàn)以及整車級耐久可靠性試驗(yàn)等方法來進(jìn)行?其中整車耐久可靠性試驗(yàn)是眾多汽車企業(yè)的主流驗(yàn)證方法，可以充分暴露電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)各方面可能存在的設(shè)計(jì)缺陷?

2 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良案例

2.1 電池包熱交換設(shè)計(jì)不良

某項(xiàng)目A是插電混合動力車型，其電池包采用液冷設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)了壓縮機(jī)參與熱量交換的快速冷卻功能，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)上理念較為先進(jìn)?然而該項(xiàng)目在以高車速/大載荷工況為主的整車動力總成耐久試驗(yàn)過程，暴露出電池包過熱降功率問題?

在該耐久試驗(yàn)過程，電池包最高電芯溫度隨著工況的進(jìn)行而快速上升，當(dāng)最高電芯溫度上升至38℃時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)策略觸發(fā)快速冷卻功能，電池升溫速度雖然開始減緩，但仍在繼續(xù)增長?同時(shí)電池包內(nèi)的單體電芯溫差在逐漸拉大?最終最高電芯溫度突破46℃，BMS報(bào)電池溫度過高故障，整車進(jìn)入降功率行駛模式?

產(chǎn)品工程師在分析電池包散熱不良現(xiàn)象過程，初步發(fā)現(xiàn)了冷卻液的出水溫度與進(jìn)水溫度十分接近，結(jié)合水流速度計(jì)算得出的熱交換量較低，并未達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)?因此聯(lián)合供應(yīng)商對電池包進(jìn)行拆解分析，最終確認(rèn)了電池包的冷板存在幾個(gè)設(shè)計(jì)不合理問題?

①冷板僅與電池模組下方一個(gè)面接觸，接觸面積過小，導(dǎo)致熱量無法及時(shí)傳導(dǎo)到冷板上;

②冷板的水路沒有進(jìn)行迂回設(shè)計(jì)，過于筆直，導(dǎo)致冷卻液未能吸收足夠的熱量就快速通過了冷板;

③冷板僅與電池模組下方一個(gè)面接觸，模組下方的電芯距離冷板較為接近，冷卻效果較好，而模組上方的電芯距離冷板較遠(yuǎn)，冷卻效果較差，很容易導(dǎo)致電芯溫度差變大?

2.2 電池包熱阻值與額定電壓設(shè)計(jì)不良

某項(xiàng)目B是插電混合動力車型，其電池包與項(xiàng)目A一樣采用具有快冷功能的液冷設(shè)計(jì)?該項(xiàng)目同時(shí)使用了分別來自甲和乙兩家供應(yīng)商的動力電池?然而兩個(gè)不同供應(yīng)商的電池包在動力總成耐久試驗(yàn)過程的表現(xiàn)出現(xiàn)了較大的差距，其中乙的電池包在耐久過程頻繁出現(xiàn)過熱降功率現(xiàn)象，而甲的電池包在耐久全過程均未出現(xiàn)降功率現(xiàn)象?暴露出電池包供應(yīng)商乙的電池包設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足問題?

對比試驗(yàn)過程的溫度數(shù)據(jù)(表2-1)發(fā)現(xiàn)如下信息:

 ①在相同的環(huán)境相同的工況以及相同的冷卻條件下，電池包乙的最高溫度比電池包甲高2℃?電池包乙的降功率溫度閾值比電池包甲低2℃，即電池包乙比電池包甲更容易升溫且更容易進(jìn)入降功率狀態(tài);

②電池包乙的最大電芯溫差明顯比電池包甲要高，說明電池包乙的冷卻均衡能力較弱，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)不佳;

③在電芯溫度上升至38℃進(jìn)入快冷模式后，電池包乙繼續(xù)升溫至46℃觸發(fā)降功率模式，并最終開始降溫，這個(gè)總過程總用時(shí)13min以上?而電池包甲從進(jìn)入快冷模式到開始降溫，只用了不到2min?

通過分析上述情況，可以得出在同等功率輸出情況下，電池包乙的發(fā)熱量比電池包甲大，且熱管理表現(xiàn)低于電池包甲，綜合表現(xiàn)明顯差于電池包甲?

通過分析對比兩家供應(yīng)商的電池參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)差異巨大的主要原因是輸出同等功率時(shí)電池包乙發(fā)熱量明顯比甲高?如表2-2所示，電池包乙的額定電壓比較低，導(dǎo)致輸出同等的功率需要更高的電流，同時(shí)電池包乙的熱阻值比電池包甲更高?根據(jù)焦耳定律，電流及電阻更高的電池包乙的焦耳熱發(fā)熱量要明顯高于電池包甲，而焦耳熱又占了電熱總熱量中較大的比例?因此熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在電池包設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行介入，重點(diǎn)控制電池包的額定電壓和熱阻值，以控制電池包的焦耳熱?

2.3 快冷邏輯設(shè)定不良

某項(xiàng)目C是純電車型，其電池包為三元鋰離子電池且與項(xiàng)目A和B一樣采用具有快冷功能的液冷設(shè)計(jì)?該項(xiàng)目的動力電池散熱效果良好，在各種試驗(yàn)過程均未出現(xiàn)電池過熱現(xiàn)象，然而仍然暴露出電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)不良問題?

在以動力總成耐久為代表的短時(shí)間內(nèi)動力電池進(jìn)行大功率輸出的工況下，電池包最高電芯溫度隨著工況的進(jìn)行而快速上升，當(dāng)最高電芯溫度上升至38℃時(shí)，快速冷卻模式啟動，電池升溫速度開始減緩，并在上升至45℃后開始下降，期間未達(dá)到電池過熱閾值?然后電池開始降溫并將電芯溫度一路下降至33℃后退出快冷模式，電芯溫度重新開始上升，直到快冷模式啟動而進(jìn)入下一個(gè)溫度循環(huán)?

在此期間動力電池的溫度在33~45℃之間不停波動，波動范圍為12℃，幅度較大，而鋰離子的電化學(xué)特性在10~35℃這一溫度區(qū)間內(nèi)最佳?該溫度波動足以對三元鋰離子電池的放電性能及壽命產(chǎn)生較為顯著的影響?若同時(shí)假設(shè)電池包的冷卻均衡性不佳，此波動甚至?xí)?dǎo)致溫度較高的電芯較溫度低的電芯出現(xiàn)更快的容量衰減?因此應(yīng)該優(yōu)化快冷模式的控制邏輯，調(diào)整快冷模式的退出溫度閾值，同時(shí)考慮對冷卻性能進(jìn)行分擋控制，并針對電池功率輸出情況進(jìn)行按需冷卻?將動力電池的溫度波動幅度降低下來?

3 熱管理系統(tǒng)應(yīng)該考慮的因素

以上三個(gè)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良問題對電池包性能輸出能力與穩(wěn)定性以及電池包耐久可靠性有不同程度的負(fù)面影響，繼而對整車的性能及耐久可靠性產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響，應(yīng)在項(xiàng)目初期階段進(jìn)行改善?規(guī)避?故可總結(jié)得出以下幾個(gè)在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮的因素?

①電池包本體的冷卻設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮冷板等冷卻部件與電池模組的充分接觸以及對電池模組的冷卻均衡程度，盡量提高冷卻效率以及冷卻均衡性;

②電池包的熱阻值以及額定電壓參數(shù)對電池包的發(fā)熱量影響十分大，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在電池包設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行介入，重點(diǎn)控制電池包的額定電壓和熱阻值;

③當(dāng)熱管理系統(tǒng)具備快冷模式且冷卻能力明顯超出電池包的冷卻需求時(shí)，設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)的控制邏輯需要充分考慮其快冷模式的觸發(fā)以及退出節(jié)點(diǎn)，以保證電池包的溫度穩(wěn)定性?

需要注意的是，雖然這三個(gè)案例均是通過整車耐久可靠性試驗(yàn)暴露的，但是若能將整車級耐久可靠性試驗(yàn)?部件級耐久可靠性試驗(yàn)以及虛擬仿真分析關(guān)聯(lián)得當(dāng)?shù)脑挘耆梢酝ㄟ^早期的虛擬仿真分析以及部件級耐久可靠性試驗(yàn)暴露出來，以提升整車研發(fā)效率，縮短驗(yàn)證周期?

4 結(jié)語

良好的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電池包性能穩(wěn)定性以及耐久可靠性的基礎(chǔ)，也是電動汽車性能穩(wěn)定性以及耐久可靠性的基礎(chǔ)?通過耐久可靠性試驗(yàn)并將其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)電動汽車的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷以及設(shè)計(jì)過程應(yīng)考慮的因素?為熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)?

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