動力電池系統加熱的案例
電動汽車動力電池系統加熱方法研究進展
來源：《電動汽車動力電池系統加熱方法研究進展》
電池系統的加熱方式主要分為兩種，內部加熱法和外部加熱法。內部加熱方式是通過電池電阻或電池內部的化學反應等直接對電池內部進行加熱，該方法加熱效率高，能耗低。外部加熱方式，即通過外部加熱組件產生熱量，從外部對電池進行加熱，主要加熱方式有氣體加熱、液體加熱、電阻式加熱等。外部加熱簡單，效率相對較低。
1 內部加熱方式
電池內部加熱不受電池箱尺寸和空間以及安裝方式限制，同一類型電芯，每個電芯的加熱功率基本相同，熱量從內部產生，加熱均勻，但須配套高低頻加載控制電路裝置或者外控電路。
1.1 高/低頻交流電加熱
TA.Stuart和A.Hande等最早提出利用低頻或高頻交流電對氫鎳或鉛酸電池進行內部加熱，其中低頻交流電的頻率是60Hz，高頻交流電的頻率是10~20kHz。主要原理是通過電池自身的電阻進行加熱，在電池組通交流電的同時可以對電池進行充電和放電。低頻交流電的裝置體積相對于高頻交流電體積較為龐大，較難實現裝車，并且有人指出，低頻交流電會使電池內部發生電離，電池壽命降低，但未有數據證實。針對鋰離子動力電池系統，有多項類似加熱的專利出現，由于涉及到交流電產生裝置的成本、質量、安裝空間等限制，目前該種方法還沒有在電動汽車上批量應用。
1.2 電池內部放電加熱
Wang等開發出一種具有快速自發熱功能的鋰離子電池。在電池中設計了鎳箔作為第三極，只要環境溫度低于0℃，正極和第三極就會形成放電回路，產生熱量對電池進行加熱；電池內部溫度超過0℃，第三極斷開，電池回到工作狀態。電池從－30℃加熱到0℃，只要30s，同時消耗5.5%的電量，效率高，時間短，有望應用于電動汽車上解決低溫嚴寒應用，加熱結構和原理見圖1。
展開 電動汽車動力電池均衡方法研究 附電動汽車動力電池管理系統設計譚曉軍下載
根據當前我國對于均衡裝置的電流評定標準來看，組合電池的電流應當是動力電池的0.05倍或者0.1倍，在此區間內是比較合適的。
3.2均衡結果
組合電池的內部差異會影響電動汽車的運行效率與安全性，因此為了減少電池荷電狀況的異常，采用均衡裝置將組合電池進行連接，改善電池的性能，增長電池的使用周期。例如對28組12Ah、336V的鎳氫組合電池進行電源輸出，經過測量和得出電壓差異值低于0.05V。此外，將該組合電池的電壓降低到電池荷電狀況的10%，將此范圍內的所有組合電池進行對比，就可以得出組合電池的均衡前后電壓差異指數為50mA，說明均衡效果顯著。再者，組合電池的均衡前電壓小于均衡后的電壓，并且動力電池的容量上升49Ahs，同比增加16%。得出如果上述組合電池不進行均衡處理，就會導致電池差異性越發嚴重，使得動力電池的輸出功率大大降低。
4結語
本文就當前電動汽車動力電池的均衡中存在的問題進行闡述，并使用上述均衡方式進行實驗，將12Ah、336V的鎳氫組合電池采用集中均衡與分散均衡的方法進行實驗，根據結果所得的電壓差異都小于0.05V，符合均衡檢測的標準。從另一方面說明采用均衡方式解決組合電池之間額不平衡差異是十分有效的。但是如果在進行解決的過程中，由于組合電池的數目較大，導致動力電池的內部差異過大，此時應當將組合電池的規格、體積、質量進行統一，加設檢測節點，及時尋找出其中存在問題的組合電池，能夠在一定程度彌補均衡方式的不足之處。
下載地址：電動汽車動力電池管理系統設計譚曉軍
展開 讀者投稿｜純電動汽車動力電池管理系統五部曲之二：單體電池建模研究
第一篇 動力電池試驗研究
第二篇 單體電池建模研究
純電動汽車的主要能量來源為動力電池系統，其性能直接影響整車的經濟性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統燃油汽車最大的區別是用動力電池作為動力驅動，而作為銜接電池組、整車系統和電機的重要紐帶，電池管理系統(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監控電池組及各電池單芯的運行狀態，有效預防電池組自燃，實現突發事件預警，為保障安全贏得時間。
筆者在梳理電池管理系統開發過程中的關鍵技術，為動力電池管理系統設計，測試生產提供理論基礎。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統的開發中關鍵技術，今天首先聊一下第二篇章單體電池建模研究及模型參數。
圖1 電池管理系統開發過程中的關鍵技術
單體電池模型用以模擬電池動力學特性動態電池模型，是設計高效可靠的電池管理系統（Battery Management System）的基礎。鑒于等效電路模型簡單的結構，良好的動態響應特性，以及狀態空間方程易于求取的優點，因此非常廣泛的應用于純電動汽車電池管理系統的研究領域中。
不同單體電池模型對比
建立單體電池等效電路模型，將模型與電池辨識參數進行配比，同時利用辨識工具完成參數識別，分析電池端電壓在不同工況下的動態響應，并逐步改進電池等效電路模型，提高電池精度，為后期電池狀態估計（SOC,SOP,SOE,SOH）提供基礎。
展開 第十九講：電池系統建模預測動力典型性能及壽命 | 達索系統百世慧
電池作為電動汽車的重要部件，對電動汽車的動力性、安全性和經濟性等至關重要，電池系統的合理設計對于提高電池使用壽命，保證續航里程有決定性作用?；谀Ｐ偷?em>電池系統開發，針對電池的電性能、熱性能和老化特性進行耦合分析，并結合電池的多樣化使用場景，保證電池性能輸出及電池壽命達到質保里程的要求。
會議時間：
2022.7.28 14:00-15.00
講師介紹：
主講人：錢劍杰，達索系統CATIA系統工程高級顧問，2012年畢業于浙江大學，碩士。豐富的系統工程及系統仿真業務咨詢經驗，業務領域包括航空航天、汽車、高科技、新能源等行業。
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動力電池熱管理系統性能試驗方法
3.3 主動式熱管理系統 active thermal management systems
基于熱傳導、熱輻射、熱對流等熱量傳輸原理，使用耗能部件消耗能量完成熱量輸入輸出交換的系統。主動式熱管理系統包括主動空氣冷卻加熱系統和主動液體冷卻加熱系統兩種，根據需要采用流體串行流動和并行流動兩種方式實現熱交換。
3.4 主動式空氣冷卻加熱系統 Active Air Cooling and Heating Systems
又稱風冷系統，利用空氣作為熱量交換載體控制分配動力電池系統內部溫度的系統。該系統通常使用風扇和管道完成空氣在電池系統內的流動，分為直接接觸式和間接接觸式兩種?？諝饪梢詮?em>電池系統外部進入并排出電池系統外，也可以在電池系統內部循環實現電池冷卻或加熱功能；若空氣僅在電池內部循環，則電池系統內部通常需要有空氣冷卻裝置（通常為空調蒸發器）、空氣加熱裝置和空氣循環風扇。該類系統通常適用于單體產熱量小于10W的電池。
3.5 主動式液體冷卻加熱系統 Active Liquid Cooling and Heating Systems
又稱液冷系統，利用冷卻液作為熱量交換載體控制分配動力電池系統內部溫度的系統。該系統通常使用水泵和管道完成冷卻液在電池系統內的流動，分為直接接觸式和間接接觸式兩種。冷卻液可以通過低溫散熱器冷卻加熱，也可以通過整車冷卻系統內的冷卻器冷卻和加熱器加熱。該類系統通常適用于單體產熱量小于20W的電池。
3.6 制冷劑式冷卻系統 Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動力電池系統內部溫度的間接接觸式系統，也可稱為冷媒直冷系統。該系統通常與整車空調系統集成。該類系統通常適用于單體產熱量小于35W的電池。
展開 動力電池熱管理系統性能試驗方法
3.3 主動式熱管理系統 active thermal management systems
基于熱傳導、熱輻射、熱對流等熱量傳輸原理，使用耗能部件消耗能量完成熱量輸入輸出交換的系統。主動式熱管理系統包括主動空氣冷卻加熱系統和主動液體冷卻加熱系統兩種，根據需要采用流體串行流動和并行流動兩種方式實現熱交換。
3.4 主動式空氣冷卻加熱系統Active Air Cooling and Heating Systems
又稱風冷系統，利用空氣作為熱量交換載體控制分配動力電池系統內部溫度的系統。該系統通常使用風扇和管道完成空氣在電池系統內的流動，分為直接接觸式和間接接觸式兩種?？諝饪梢詮?em>電池系統外部進入并排出電池系統外，也可以在電池系統內部循環實現電池冷卻或加熱功能；若空氣僅在電池內部循環，則電池系統內部通常需要有空氣冷卻裝置（通常為空調蒸發器）、空氣加熱裝置和空氣循環風扇。該類系統通常適用于單體產熱量小于10W的電池。
3.5 主動式液體冷卻加熱系統Active Liquid Cooling and Heating Systems
又稱液冷系統，利用冷卻液作為熱量交換載體控制分配動力電池系統內部溫度的系統。該系統通常使用水泵和管道完成冷卻液在電池系統內的流動，分為直接接觸式和間接接觸式兩種。冷卻液可以通過低溫散熱器冷卻加熱，也可以通過整車冷卻系統內的冷卻器冷卻和加熱器加熱。該類系統通常適用于單體產熱量小于20W的電池。
3.6 制冷劑式冷卻系統 Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動力電池系統內部溫度的間接接觸式系統，也可稱為冷媒直冷系統。該系統通常與整車空調系統集成。該類系統通常適用于單體產熱量小于35W的電池。
展開 燃料電池動力系統構型與關鍵部件
1 燃料電池動力系統構型燃料電池動力系統中的二次儲能電池可以有多種類型,包括鋰離子電池?鎳氫電池和超級電容器等?因此,燃料電池動力系統存在多種構型方案,目前常用的燃料電池動力系統構型方案見表2?
表2 常用的燃料電池動力系統構型方案
1.1 單一燃料電池構型
單一燃料電池構型只包含燃料電池一個能量源,單一燃料電池動力系統基本結構如圖1所示,包括燃料電池系統?整車控制器?DC/DC?逆變器和電機等部件?汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔?燃料電池系統將氫氣與氧氣反應產生的電能傳給驅動電機,驅動電機將電能轉化為機械能再傳給傳動系統,從而驅動汽車前進?
圖1 單一燃料電池動力系統基本結構
燃料電池輸出電壓一般比電動汽車動力總線電壓要低,特性比較軟,即隨著輸出電流的增加,電壓下降幅度比較大,為實現燃料電池輸出電壓與動力總線電壓匹配,就需要一個DC/DC(直流/直流)變換器?同時,DC/DC變換器可以對燃料電池最大輸出電流和功率進行控制,起到保護燃料電池系統的目的?
1.2 燃料電池+動力蓄電池構型
該種構型有多種分類標準,根據是香插電可分為插電型和不插電型:根據配備的燃料電池和動力蓄電池的功率等級的差異,可分為能量混合型和功率混合型:根據燃料電池是否與直流母線直接連接,可分為直接型和間接型?
1.2.1 不插電型和插電型
不插電型燃料電池+動力蓄電池構型動力系統拓撲結構如圖5-2所示?該動力系統中,燃料電池系統為主要動力源,動力蓄電池配合燃料電池系統進行混合驅動,電能經過電機轉化成機械能傳給傳動系統?加速時,電池組和燃料電池堆共同輸出能量,保證整車的加速性能,由于電池組提供了部分能量,減輕了電池堆瞬時加速時的負擔,避免陰極“氧氣饑餓”現象的發生,可延長電池堆壽命?制動時,電池組回收部分能量,此過程由電池管理系統控制?
圖2 不插電型燃料電池+動力蓄電池構型動力系統拓撲結構
展開 動力電池液冷系統(VOF)流動狀態模擬 ￥20
聯系方式QQ599464330，遇到問題記得聯系我。
本次操作采用的軟件如下：前處理軟件為SCDM抽取流體，導入starccm+求解。
將x_t 文件導入SCDM里面，然后抽取液冷板內部流體體積。
2.流體抽取成功后如下圖顯示：
3.另存為fluid.x_t 或者是step的格式。
4.打開starccm+軟件，新建一個.star文件，一般核數根據自己的電腦性能來選擇，設置核數越大計算越快。
5.打開剛剛保存的fluid.x_t文件，導入之后檢查模型。
6.對導入之后的模型進行合并曲面操作Geometry——Parts——fluid——surfaces——按住shift選擇所有的表面——右鍵——選擇combine——合并為一個面。
7.合并了所有的面以后，需要對模型進行破面壓印檢查。
選擇Execute ALL，執行。
檢查確保沒有穿刺面和破面，然后點擊左下角的close關閉表面修復界面
8.分離出進口（inlet）和出口（outlet）的表面Geometry——Parts——fluid——surfaces——fluid——split by patch，從合并的流體表面中分離出進口和出口的面。
利用同樣的方法，分離出出口區域表面outlet1和outlet2
分離完成后，如下圖所示，會有四個表面，整體流道，進口，兩個出口表面。
9.將parts下面的surface分配給regions，設置流道邊界條件Geometry——Parts——fluid——右鍵——Assign Parts to regions。
在上面的設置中，選擇為每個part創建一個區域，為每一個part的表面創造一個邊界，選擇好后，點擊apply
展開 動力電池液冷系統仿真流程（上）
同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
3、新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講
4、 Hypermesh網格劃分-精講進階視頻教程
5、有限元分析ANSA19.0視頻教程零基礎入門到精通50講
6、Hypermesh軟件CAE流體網格劃分CFD前處理
7、CAE | STAR-CCM+流體CFD分析零基礎視頻教程
動力電池液冷系統仿真流程（下）
圖12 液冷系統P-Q曲線
4.4.2 流量均勻性
借助流場分析仿真得出各回路流量值，判斷各回路流量分配均勻性，流量比的偏差值是否控制在設計目標范圍內。
圖13 各回
本人對新能源汽車有免費資料分析公眾號：新能源汽車熱管理仿真技術，關注回復“1”，可領取更多熱管理方面資料。
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1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
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新能源汽車動力電池內部組件及系統裝配
電池如何生產
動力電池生產包含安裝和測試兩個方面
1
導熱墊、水管安裝
2
模組安裝
3
水冷系統氣密性檢測
通過加壓、保壓檢測水冷系統氣密性。
ANSYS動力電池仿真應用案例
目錄
1 電池行業發展趨勢
2 燃料電池定義和分類
3 燃料電池產業鏈
4 動力電池研發中主要的流體/結構問題
5 ANSYS動力電池應用案例
(1) PEMFC燃料電堆模擬
(2) 反應濕度對PEMFC性能影響
(3) PEMFC水管理
(4) 燃料電池電芯仿真
(5) 電池單體倍率性能分析
(6) 基于MSMD方法的電池單體熱仿真
(7) 電池單體熱仿真
(8) 電池PACK串并聯電特性分析
(9) 電池熱失控分析
(10) 基于MSMD方法的電池包短路仿真
(11) 電池針刺或內外部短路分析
(12) 電池PACK散熱分析
(13) 基于Fluent的電池包熱管理
(14) 動力電池熱分析
(15) 基于MSMD方法的電池包熱仿真
(16) 新能源動力電池BMS系統低溫加熱計算
(17) 基于LTI ROM降階模型的電池包熱仿真
(18) 基于SVD ROM降階模型的電池包熱仿真
以下內容截取自該篇資料
PEMFC燃料電堆模擬
①輸入條件
? 燃料及空氣進口質量流量、化學計量數比
? 指定固相電勢邊界條件: 電壓Vcell
? 定壁溫熱壁面邊界
②仿真流程
③結果
反應濕度對PEMFC性能影響
①輸入條件
? 燃料及空氣進口流量、溫度
? 不同層的材料屬性
? 熱壁面邊界條件
②仿真流程
? 幾何模型處理
? 六面體網格劃分
? Fluent中通用模塊設置及PEMFC模塊設置
? 求解計算得出基本標量值及特定標量值
③結果
PEMFC水管理
①輸入條件
? 燃料及空氣進口流量
展開 車用鋰離子動力電池風冷散熱系統研究進展
來源 | 電源技術
作者 | 楊朝蓬，張寧，段志宇
單位 | 中國電子科技集團公司第十八研究所
摘要：鋰離子電池作為電動汽車動力電池首選，維持其工作在最佳溫度范圍需要應用散熱系統。針對常用的風冷散熱系統，闡述了不同類型的特點，綜述了國內外在電池內部流道、進出風口結構、冷卻空氣流體參數等方面開展的仿真與實驗研究，以及采用優化算法和優化策略，改善電池內部溫度和溫差的優化設計研究。為克服風冷散熱系統冷卻效率低及密封性不足的問題，基于風冷散熱系統的混合冷卻系統被研究者廣泛提出。
關鍵詞：鋰離子電池；風冷散熱系統；溫度；溫差；混合冷卻系統
隨著環境污染與能源緊缺問題加劇，世界各國加大了電動汽車的研發力度，而動力電池作為電動汽車的動力來源，受到各國政府和主要汽車制造廠商的重點關注。鋰離子電池具有比能量高、循環壽命長、自放電率低、無污染排放等特點，成為目前電動汽車首選的動力電池體系。鋰離子動力電池的性能和壽命在很大程度上與工作溫度有關，通常最佳工作溫度在 15～40℃，溫差低于 5℃。在充放電過程中電池自身產熱會導致溫度上升，適當的散熱冷卻技術可以減少溫度對電池組的負面影響，提高動力電池的效率和安全性，降低老化率，延長使用壽命。車用鋰離子動力電池散熱系統冷卻方式主要有：風冷、液冷、相變材料(PCM)冷卻、熱管(HP)冷卻等。風冷、液冷是應用最廣泛的冷卻方式，受技術水平限制，當前國內主要采用風冷，有少數電動車也開始采用系統更為復雜的液冷，如吉利帝豪 EV、江淮 iEV7S，而國外發達國家更多采用液冷，如美國特斯拉、雪佛蘭沃藍達。作為新型冷卻方式，相變材料和熱管冷卻還處于研究和小規模應用階段。
展開 CAE在動力電池散熱系統分析中的應用
而動力電池作為新能源汽車的核心部件，其使用性能和壽命嚴重影響著其產業的發展。
面對動力電池產品研發中所面臨的熱安全問題，使用傳統的熱成像技術只能采集到電池表面的溫度變化情況，無法全面地獲悉產品完整的熱分布情況，且局限于較簡單的電池組結構。通過使用CAE仿真技術，可以幫助研發人員建立虛擬的電池組和散熱通道的三維模型，在此基礎上分析散熱效果并對不同方案進行對比和優化，取代了試驗方法，大大提高了設計效率。
下面以使用Flotherm對動力電池組散熱系統進行仿真分析為例，為電池組的結構優化提供依據。
案例背景
對某電池組在25℃環境溫度下，1C放電一小時進行模擬仿真，分析在電池組散熱系統中，截面溫度分布情況。
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