電池包冷卻系統(tǒng)的案例
考慮系統(tǒng)體積和冷卻性能的風冷電池熱管理系統(tǒng)策略
鋰離子電池作為電動汽車（EV）的核心部件，廣泛應用于混合動力汽車（HEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）和純電動汽車（BEV）。動力電池的性能很大程度上決定了整車的性能。電池的能量密度越高，電動汽車的續(xù)航能力就越好。高能量密度電池在充電和放電過程中會產(chǎn)生高熱量，如果熱量長時間聚集在一起，不僅會損害電池的使用壽命，還會增加熱失控的風險，嚴重時甚至會引起爆炸，危及人身安全。設計良好的電池熱管理系統(tǒng)（BTMS）可以有效散熱，提高車輛性能，保證車輛和駕駛員的安全。因此，電池熱管理系統(tǒng)具有重要的研究價值和理論意義。當前的研究主要集中在結構設計上，以降低系統(tǒng)的最高溫度為主要目的。然而，冷卻系統(tǒng)的體積對于電動汽車設計也很重要，卻很少受到關注。
02
成果掠影
近期，新疆大學盧浩老師團隊提出了一種新的電池熱管理系統(tǒng)優(yōu)化策略，該策略綜合考慮系統(tǒng)體積和冷卻性能，可以根據(jù)實際應用確定合適的熱管理策略。所提出的方法分為四個步驟：優(yōu)化系統(tǒng)設計、建立計算代碼、多目標優(yōu)化和綜合模擬決策。基于計算流體力學（CFD）的數(shù)值模擬用于驗證優(yōu)化后系統(tǒng)的冷卻性能。與當前三種電池熱管理系統(tǒng)設計相比，體積最多減少了13.01%。穩(wěn)定發(fā)熱過程中，最大溫差分別降低了65.79%、40.65%和63.69%，溫度均勻度分別提高了65.87%、34.93%和60.80%。電池組非穩(wěn)態(tài)發(fā)熱情況下，5C放電倍率的時候，最大溫差下降2.28 K，最大溫差和溫度均勻性分別下降57.11%和49.15%。
展開 液冷電池熱管理系統(tǒng)在不同冷卻情況下的性能分析
來源 | Journal of Energy Storage
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背景介紹
鋰離子電池已廣泛應用于電動汽車（EV）和儲能系統(tǒng)（ESS）等領域，其性能直接影響了系統(tǒng)運行的安全與效率。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、成本低、對環(huán)境友好等優(yōu)點，但它們的性能對溫度非常敏感。熱安全性是限制電池發(fā)展的重要因素。通常情況下，電池模塊的最高溫度應保持在288~313 K之間，電池之間的最大溫差應控制在5 K以內(nèi)，以保證電池穩(wěn)定運行。
電池熱管理系統(tǒng)的特點主要包括體積小、成本低、安裝簡單、可靠性好等，也分為有源或無源、串聯(lián)或并聯(lián)等。無論是電池儲能系統(tǒng)還是混合儲能系統(tǒng)，電池都是主要組成部分。充電時，儲能系統(tǒng)充當負載，放電時，儲能系統(tǒng)充當發(fā)電機組，并且只能在一定的溫度范圍內(nèi)放電和儲存電力。電池熱管理系統(tǒng)可以保證電池工作在最佳溫度范圍并保證電芯和模組的溫度均勻性，高溫會加劇電池內(nèi)部的副反應，影響電池壽命甚至引發(fā)熱失控。然而低溫會導致內(nèi)阻增大、容量下降，進而導致電池性能下降。因此，為了實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)的最佳性能，需要合適的電池熱管理系統(tǒng)。
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成果掠影
近期，吉林大學江彥老師團隊開發(fā)了一種高效的電池熱管理系統(tǒng)，可以控制電池模塊的溫度，從而提高整體性能。該研究針對由12節(jié)方形LiFePO4電池組成的電池模塊設計了不同類型的液冷熱管理系統(tǒng)。以計算流體動力學模擬為主要研究工具，提出了從傳熱和流動阻力兩個方面評價冷板性能的參數(shù)，以及冷卻面、入口數(shù)量和冷卻液方向對其冷卻效果進行了研究。
展開 一種用于鋰離子電池組熱管理的液體冷卻系統(tǒng)
鋰離子電池因其能量密度高、自放電率低、維護要求低、循環(huán)壽命長、重量輕、結構緊湊等特點，是目前電動汽車使用最廣泛的電源。然而，鋰離子電池的性能受工作溫度的影響很大。鋰離子電池理想的工作溫度范圍為25 ~ 40℃，不同電池之間的最高溫差小于5℃。在低溫或高溫環(huán)境下工作都會導致電池性能下降，壽命縮短，甚至熱失控。因此，一個優(yōu)秀的電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)對于保證鋰離子電池安全高效的運行狀態(tài)是非常必要的。
根據(jù)冷卻策略的不同，BTMS可分為被動冷卻系統(tǒng)、主動冷卻系統(tǒng)和被動與主動相結合的混合系統(tǒng)。在被動冷卻系統(tǒng)中，沒有任何額外的功耗，但它們也不能控制冷卻系統(tǒng)來改變冷卻速率。在鋰離子電池表面實施特殊的材料或散熱結構，以實現(xiàn)電池與外部環(huán)境之間的高傳熱能力。典型的例子包括自然空氣對流，相變材料(PCM)和熱管。
被動空氣冷卻的冷卻能力很低，不適合冷卻高能量密度的鋰離子電池。PCM在融凍過程中能夠儲存和釋放大量的能量，近年來受到越來越多的關注。將PCM裝入BTMS的主要優(yōu)點是可以實現(xiàn)良好的電池溫度均勻性和靈活的幾何形狀。然而，PCM的低導熱性阻礙了電池的散熱速率，在高速率充放電條件下存在嚴重的隱患。因此開發(fā)出具有優(yōu)異的散熱性能的新能源電車的電池熱管理系統(tǒng)是非常重要的。
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成果掠影
近期，哈爾濱工業(yè)大學馮宇教授團隊針對液冷電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)取得新進展。由于常見的線性流道結構導致了嚴重的溫度分布不均勻。該團隊提出了一種具有多通道的新型錐形通道散熱器，以提高電池溫度均勻性，降低BTMS的功耗。團隊分析比較了8種不同設計的電池最高溫度和溫差、溫度不均分布參數(shù)和功耗性能，同時，分析了延遲冷卻策略對液冷系統(tǒng)溫度均勻性的影響。
展開 XING Mobility推出下一代浸沒式冷卻電池熱管理系統(tǒng)
“XING Mobility憑借其獨特的浸沒式冷卻電池技術和產(chǎn)品，在CES 2024上首次亮相，正式標志著我們進入美國市場，”XING Mobility聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Royce YC Hong表示。“我們致力于為全球市場提供更安全、更穩(wěn)定的電池熱管理選擇，改寫工業(yè)電氣化的安全規(guī)范，實現(xiàn)全球高效可持續(xù)的未來。”
XING Mobility將在CES 2024期間在LVCC西廳6857號展位展示其產(chǎn)品和技術。同時，將于1月10日10：00-10：40在LVCC西館W219參加“電動汽車電池的未來”研討會。研討會將討論電動汽車電池的潛力，如何在打破尺寸限制的同時克服材料和成本帶來的挑戰(zhàn)，以及電動汽車電池的發(fā)展趨勢。
關于XING Mobility
XING Mobility是全球浸沒式冷卻電池技術的先驅，于2015年在臺灣成立。研發(fā)出全球唯一獲得專利的IMMERSIO浸沒式冷卻電池系統(tǒng)，可廣泛應用于各種電動汽車和儲能系統(tǒng)，為電池系統(tǒng)打造穩(wěn)定安全的熱管理解決方案，為工業(yè)能源轉型提供更安全、更可靠的選擇。我們擁有20多個跨國合作伙伴和客戶，以及全球數(shù)十個汽車電動化項目和儲能系統(tǒng)項目，致力于擴展我們的浸沒式冷卻電池技術，并與我們的全球合作伙伴一起實現(xiàn)可持續(xù)的未來。官網(wǎng)：https://www.xingmobility.com/
相關信息
2018年，XingMobility以immersio電池組系統(tǒng)的形式推出了商用電動汽車浸入式冷卻的第一個例子。該技術涉及將鋰離子電池直接浸入不導電的液體冷卻劑中，并在此過程中實現(xiàn)電池溫度之間的有效分布和均勻性。Xing IMMERSIO使用3M Novec工程流體，該流體不易燃且不導電。
展開 
(干貨）新能源電池包散熱系統(tǒng)CAE仿真實例
仿真工作環(huán)境：30℃環(huán)境溫度下放電1小時
分析模型：
放電一小時溫度截面云圖（Z方向）
放電1小時速度截面云圖（Z方向）
放電1小時速度截面云圖（Y方向）
電池放電一小時溫度分布圖
電池放電一小時溫度分布圖
仿真結論
在此散熱方案下，大部分電池的溫度都處在40-45℃的區(qū)間之內(nèi)，少數(shù)散熱條件較好的電池區(qū)域溫度低于40℃。在最高溫度可以接受的條件下，可以通過調(diào)整風機的風量和擺放來改善溫度的不均衡度。
新能源電池包散熱系統(tǒng)CAE仿真實例
新能源電池包散熱系統(tǒng)CAE仿真實例
前言：
隨著新能源汽車市場推廣程度的逐漸深入，應用范圍不斷加大，對電池包散熱系統(tǒng)方案要求也越來越高。通過對電池散熱過程的熱仿真分析，可以預測電池溫度在放電過程中的變化趨勢，檢驗電池包的散熱性能，為電池箱的設計提供理論依據(jù)。
目前，市場上主流的熱仿真分析軟件為Flotherm，今天小編將通過一個電池包熱仿真實例，帶您快速了解電池散熱系統(tǒng)仿真分析。
分析中采用的前提和假設：
導熱率設置：
注：材料的導熱率設定，如果是單一材料部件，如外殼等，根據(jù)部件所使用的實際材料的導熱率給定；如果是復合材料部件或多種材料組合的部件，而在3D模型中是通過簡化模型繪制的，則材料導熱率，按照集總參數(shù)法，根據(jù)經(jīng)驗和理論折算給定當量導熱系數(shù)，如電芯等。
功耗設置及風機選用：
單節(jié)電池的發(fā)熱量按照電流1A和內(nèi)阻50mΩ確定為0.288w，電池為18650，容量2.4Ah；
風機統(tǒng)一為最大風量15.87m3/h，最大全壓31.33Pa的軸流風機，可以根據(jù)具體需求隨時改換。
分析方案：
仿真工作環(huán)境：30℃環(huán)境溫度下放電1小時
分析模型：
放電一小時溫度截面云圖（Z方向）：
放電1小時速度截面云圖（Z方向）：
放電1小時速度截面云圖（Y方向）：
電池放電一小時溫度分布圖1：
電池放電一小時溫度分布圖2：
仿真結論：
在此散熱方案下，大部分電池的溫度都處在40-45℃的區(qū)間之內(nèi)，少數(shù)散熱條件較好的電池區(qū)域溫度低于40℃。在最高溫度可以接受的條件下，可以通過調(diào)整風機的風量和擺放來改善溫度的不均衡度。
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展開 關于新能源車型電池包熱管理系統(tǒng)設計應考慮的幾個影響因素
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入下一個溫度循環(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?若同時假設電池包的冷卻均衡性不佳，此波動甚至會導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，同時考慮對冷卻性能進行分擋控制，并針對電池功率輸出情況進行按需冷卻?將動力電池的溫度波動幅度降低下來?
3 熱管理系統(tǒng)應該考慮的因素
以上三個熱管理系統(tǒng)設計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面影響，繼而對整車的性能及耐久可靠性產(chǎn)生顯著的負面影響，應在項目初期階段進行改善?規(guī)避?故可總結得出以下幾個在熱管理系統(tǒng)設計階段應該考慮的因素?
①電池包本體的冷卻設計應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)設計需要在電池包設計初期就進行介入，重點控制電池包的額定電壓和熱阻值;
③當熱管理系統(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，設計熱管理系統(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，以保證電池包的溫度穩(wěn)定性?
需要注意的是，雖然這三個案例均是通過整車耐久可靠性試驗暴露的，但是若能將整車級耐久可靠性試驗?部件級耐久可靠性試驗以及虛擬仿真分析關聯(lián)得當?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暴露出來，以提升整車研發(fā)效率，縮短驗證周期?
4 結語
良好的熱管理系統(tǒng)設計是電池包性能穩(wěn)定性以及耐久可靠性的基礎，也是電動汽車性能穩(wěn)定性以及耐久可靠性的基礎
展開 新能源車型電池包熱管理系統(tǒng)設計應考慮的幾個影響因素
?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入下一個溫度循環(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?若同時假設電池包的冷卻均衡性不佳，此波動甚至會導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，同時考慮對冷卻性能進行分擋控制，并針對電池功率輸出情況進行按需冷卻?將動力電池的溫度波動幅度降低下來?
3 熱管理系統(tǒng)應該考慮的因素
以上三個熱管理系統(tǒng)設計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面影響，繼而對整車的性能及耐久可靠性產(chǎn)生顯著的負面影響，應在項目初期階段進行改善?規(guī)避?故可總結得出以下幾個在熱管理系統(tǒng)設計階段應該考慮的因素?
①電池包本體的冷卻設計應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)設計需要在電池包設計初期就進行介入，重點控制電池包的額定電壓和熱阻值;
③當熱管理系統(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，設計熱管理系統(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，以保證電池包的溫度穩(wěn)定性?
需要注意的是，雖然這三個案例均是通過整車耐久可靠性試驗暴露的，但是若能將整車級耐久可靠性試驗?部件級耐久可靠性試驗以及虛擬仿真分析關聯(lián)得當?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暴露出來，以提升整車研發(fā)效率，縮短驗證周期?
4 結語
良好的熱管理系統(tǒng)設計是電池包性能穩(wěn)定性以及耐久可靠性的基礎
展開 技研 | 榮威、廣汽傳祺、寶馬、豐田驅動電動機冷卻系統(tǒng)
榮威E50
（1）概述
榮威E50電動冷卻系統(tǒng)分為2個獨立的系統(tǒng)，分別是逆變器（PEB）/驅動電動機冷卻系統(tǒng)、高壓電池包冷卻系統(tǒng)（ESS）。高壓電池包冷卻系統(tǒng)（ESS）已在模塊三的相關章節(jié)中講述過，這里不再贅述。
榮威E50逆變器（PEB）/驅動電動機冷卻系統(tǒng)主要有散熱器、冷卻風扇、膨脹水箱、冷卻液泵、冷卻液軟管和冷卻液溫度傳感器組成，如下圖4所示。
冷卻系統(tǒng)部件組成和功能如下圖所示。
（2）冷卻液液流的控制
榮威E50冷卻系統(tǒng)冷卻液在管路中的循環(huán)路徑如下圖所示。
如上圖所示，驅動電動機冷卻原理如下：
利用傳導原理，將熱量從PEB/驅動電動機組件傳遞到冷卻液中，帶有熱量的冷卻液流過散熱器內(nèi)的蒸發(fā)管路，通過冷卻風扇吹動氣流，將熱量傳遞到大氣中。當系統(tǒng)處于較低溫度時，冷卻液泵不工作。當溫度上升后，冷卻液泵工作，冷卻液經(jīng)過軟管流入散熱器內(nèi)，散熱器將熱量散發(fā)到空氣中，使PEB/驅動電動機組件保持在最佳的工作溫度。
冷卻液從右側上部水室到左側底部水室流經(jīng)散熱器，由經(jīng)過芯體的空氣進行冷卻。冷卻系統(tǒng)的溫度是由ECT傳感器來測量的。該傳感器向PEB發(fā)送信號，根據(jù)需要控制冷卻風扇的操作。冷卻液溫度信號由PEB經(jīng)過CAN總線到顯示冷卻液溫度到組合儀表。該組合儀表上會實時顯示冷卻液的溫度，如果冷卻液溫度變得過高，則組合儀表上的警示燈和消息將提醒駕駛員。
（3）冷卻風扇的控制
榮威E50冷卻風扇的控制原理如下圖所示。
展開 Cradle CFD—專業(yè)熱流場分析工具
依托聯(lián)合仿真功能，不僅可實現(xiàn)與三維多物理場耦合（結構、聲學、電磁、機械），還能夠與一維系統(tǒng)級仿真工具和多學科優(yōu)化平臺耦合，實現(xiàn)多物理場協(xié)同仿真，例如Adams、Romax、FFT、Abaqus、GT、KULI等工具。
產(chǎn)品介紹
??產(chǎn)品組成
Cradle共包含5個軟件包和1個通用的后處理模塊：
scSTREAM和HeatDesigner是基于笛卡爾網(wǎng)格（像素網(wǎng)格）的CFD軟件，前者是通用的熱流體分析系統(tǒng)，求解模型更豐富，包括多相流、燃燒、非牛頓流體等，后者主要應用在電力電子行業(yè)，擁有大量電子元件模型可供使用，兩者均可用于大規(guī)模復雜模型的分析
SC/Tetra和scFLOW是基于非結構網(wǎng)格的CFD軟件，前者主要通過劃分四面體、五面體和六面體網(wǎng)格進行離散求解，后者通過劃分多面體網(wǎng)格來進行離散求解，主要應用在汽車領域及其他通用設備領域，兩者均支持高精度模型的求解分析
PICLS可進行PCB板級熱流分析，實現(xiàn)PCB級熱設計，具備實時仿真能力
通用的后處理模塊scPOST，支持上述軟件的仿真結果直接導入，能夠根據(jù)客戶需要快速地進行結果可視化，包括部件溫度云圖顯示、截面熱流數(shù)據(jù)顯示、流跡線顯示以及部件熱路徑考察，快速定位熱阻分布，實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設計
??典型應用
電池包冷卻系統(tǒng)分析
導入帶有水冷板以及通風道等回路的電池包數(shù)模，進行冷卻系統(tǒng)內(nèi)的熱流求解，計算出系統(tǒng)內(nèi)溫度和壓力的分布，指導流量分布和結構優(yōu)化等工作，同時可與一維仿真工具進行耦合分析，通過系統(tǒng)仿真獲取三維熱流分析所需要的邊界輸入，例如進口流量、出口壓力等，較精確地對電池包冷卻性能進行分析。同時還可與控制模型進行耦合，多工況地分析冷卻系統(tǒng)的響應和效率。
展開 【5月24-27日 北京】新能源系統(tǒng)電池結構與熱分析工程項目案例專題
25個實例模型課程中人手一機操作指導
1、新能源汽車動力鋰電池結構安全性能仿真
案例01：車輛極限行駛工況下電池包強度分析案例
案例02：電池包振動特性仿真案例（基于GB/T31467.3-2015振動測試）
案例03：電池包擠壓仿真案例（基于GB/T31467.3-2015擠壓測試）
案例04：電池模組擠壓仿真案例（基于GB/T31467.3-2015擠壓測試）
案例05：電池包機械沖擊仿真案例（基于GB/T31467.3-2015機械沖擊測試）
案例06：車輛碰撞工況下電池包強度仿真案例（基于GB/T31467.3-2015模擬碰撞測試）
案例07：電池包跌落仿真案例（基于GB/T31467.3-2015跌落測試）
2、新能源汽車動力鋰電池熱管理性能仿真
案例08：電池模組瞬態(tài)熱分析案例
案例09：電池包瞬態(tài)熱分析案例
案例10：電池包自然散熱分析案例
案例11：電池包強制風冷散熱分析案例
案例12：電池模組電熱耦合仿真案例
案例13：電池包水冷壁流場仿真案例
案例14：電池包冷卻系統(tǒng)匹配案例
案例15：電池包加熱系統(tǒng)匹配案例
3、儲能系統(tǒng)鋰電池結構安全性能仿真
案例16：電池包振動仿真案例（基于UN38.3測試標準）
案例17：電池包機械沖擊仿真案例（基于UN38.3測試標準）
案例18：車輛極限行駛工況下的電池機架強度分析案例
案例19：電池機架振動仿真案例（基于公路運輸標準）
案例20：電池機架機械沖擊仿真案例（基于公路運輸標準）
案例21：電池機架吊裝工況強度分析案例
案例22：儲能集裝箱箱體吊裝工況強度分析案例
案例23：儲能集裝箱箱體吊裝時意外跌落仿真案例
4、儲能系統(tǒng)鋰電池熱性能仿真
案例24：電池包熱仿真案例
案例25：儲能系統(tǒng)熱仿真案例
展開 
仿真天地 ? 汽車｜AVL的動力電池探索創(chuàng)新之路
設計用于電動汽車（電動、插電混動、混動）上的電池系統(tǒng)時必須考慮眾多的因素，比如電池系統(tǒng)的容量、電芯選擇、電芯與模組成組約束、電池包架構、電池包的體積與質(zhì)量能量密度、成本、各種負載下電池系統(tǒng)的結構耐久性、環(huán)境溫度限制等。
不同幾何結構的電芯電-熱模型
Kim Yeow表示：“電池組熱管理只是眾多重要的衡量維度之一。從電池性能與安全的角度，我們需要讓電池包在不同環(huán)境溫度和工況下，持續(xù)運行在最佳工作溫度范圍內(nèi)。在電池過熱時，我們需要為電池包降溫。在電池溫度過低時，我們需要為電池包升溫。”
通過3D FEA建模，可以評估整個電池包內(nèi)每個電芯的溫度分布。這種FEA模型能辨別電池包內(nèi)的電芯溫度分布，從而為溫度傳感器布局提供指導，以便監(jiān)控并反饋電池包的內(nèi)部的工作溫度。Kim Yeow指出：“電池包功率性能受內(nèi)部電芯溫度影響顯著；如果某個電芯的溫度過高，必然需要降低整個電池包的輸出功率，以防止這個電芯過熱。另一方面，如果溫度過低，就必須為它升溫，因為較低的電芯溫度同樣會限制電芯的輸出功率。”電芯最大溫度和電芯最大溫度差是影響電芯安全和耐用性的關鍵因素。
“我們需要一種合適的工具分析電池系統(tǒng)熱行為。Abaqus FEA的電-熱仿真功能就完美符合我們的需求。”
—Kim Yeow，AVL技術專家
圖1：連續(xù)充放電條件下的間接風冷模塊的分析與實測吻合良好
在EVARE項目上，AVL團隊遇到的難題是如何開發(fā)出成本盡可能最低、電池冷卻效率最高的電池包配置。成功的要訣是充分了解電池組的內(nèi)部狀況。Kim Yeow表示：“我們需要一種合適的工具分析電池系統(tǒng)熱行為。
展開 Ansys Fluent應用于新能源汽車行業(yè)的流體仿真解決方案
提高電池續(xù)航能力、減少環(huán)境污染是政府、行業(yè)市場和消費者共同的要求。然而，隨著電動汽車的類型，款式和技術的演變，消費者的需求也在不斷的變化，對汽車在電耗、安全性、舒適性、經(jīng)濟性、方面的要求也在不斷提高。熱管理性能以及NVH常用來評價新能源汽車舒適性、安全性的指標，并且受到越來越多消費者的重視。”
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熱管理性能與NVH
新能源汽車熱管理系統(tǒng)設計的優(yōu)劣直接關系整車可靠性、安全性、舒適性與能耗水平。
新能源汽車熱管理系統(tǒng)通常包括發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，電機、電機控制器等功率器件冷卻系統(tǒng)，電池包冷卻/加熱系統(tǒng)，乘員艙降溫與采暖系統(tǒng)。熱管理物理架構解析從介質(zhì)流、能量流、信號流三個方面展開。其中，介質(zhì)流解析包括空氣流動路徑分析、冷卻水流動路徑分析、制冷介質(zhì)流動路徑分析及油類冷卻介質(zhì)路徑分析；能量流解析主要包括動力系統(tǒng)高溫熱源產(chǎn)熱與熱量傳遞路徑分析、熱管理系統(tǒng)耗功元件能量轉換方式與傳遞路徑分析；信號流解析按照傳感器—控制器—執(zhí)行器信號傳遞路徑進行分析，分析內(nèi)容主要包括傳感器信號類型、信號傳輸與交互方式。
NVH是Noise（噪聲）、Vibration（振動）和Harshness（聲振粗糙度，也可通俗的理解為不平順性）的總稱。NVH中的N，及噪音（Noise），是很多消費者關注的指標，甚至可能成為購車選擇中的決定性因素。通常來說，不同的消費群體對于噪聲的要求也是不同的。
展開 電動汽車電池熱管理風冷與液冷
左側紅色點劃線區(qū)域為采用蒸發(fā)循環(huán)庫搭建的空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)循環(huán)；中間紅色點劃線區(qū)域為采用液冷庫搭建的電池冷卻循環(huán)；蒸發(fā)循環(huán)與冷卻循環(huán)之間黑色實線區(qū)域為冷卻液與制冷劑之間的換熱單元；最右邊紅色實線區(qū)域為電機電池等元件組成的驅動系統(tǒng)。
圖4 電池管理系統(tǒng)一維仿真
電池電機供電、電機驅動負載，電池產(chǎn)生的熱量通過液冷循環(huán)與空調(diào)系統(tǒng)之間的換熱器實現(xiàn)冷卻液與制冷劑之間的熱量交換，然后通過空調(diào)系統(tǒng)傳到發(fā)動機艙，最后熱量被空氣帶走。圖 5為不同泵的轉速下電池包溫度變化曲線。改變冷卻循環(huán)中泵的轉速可以將流過電池包的冷卻液溫度保持在所需要的溫度范圍。
圖5 液冷泵不同轉速下電池包溫度變化曲線
圖6為在搭建的模型系統(tǒng)基礎上添加簡單控制系統(tǒng)模型，模型運行中可實時查看蒸發(fā)循環(huán)壓焓圖，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況。藍色區(qū)域檢測蒸發(fā)器出口溫度，通過控制變排量壓縮機排量保證蒸發(fā)器出口溫度恒定。黑色區(qū)域通過調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)中泵的轉速和蒸發(fā)循環(huán)中冷凝器空氣側空氣流量使電池溫度保持在所需的溫度范圍內(nèi)。
圖6 簡單控制模型
圖7 不同散熱功率下電池包溫度變化曲線
圖7所示，電池包設定溫度（紅色）與實際溫度（綠色）變化關系，在100s時電池包發(fā)熱功率突然降低，電池包溫度也發(fā)生變化，但通過調(diào)節(jié)發(fā)冷卻泵轉速與冷凝器側風扇轉速快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的散熱量，從而使電池包溫度穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。
總結
采用Dymola一維仿真軟件可以完成仿真模型系統(tǒng)搭建與仿真分析。所搭建模型既可以用于模型匹配設計、元件選型也可以用于系統(tǒng)仿真進行模型系統(tǒng)能量分配分析。還可以作為仿真模型可以提升工程師對系統(tǒng)性能的理解，作為被控對象用于控制策略設計、驗證控制模型的準確度及控制效果。
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