動力電池冷卻性能分析的案例
【STAR-CCM+電池冷卻】基于直流道液冷板的動力電池冷卻性能仿真
與空氣冷卻相比，液體冷卻具有比熱容和對流換熱系數大的優勢。液體冷卻系統與電池組進行換熱時，能將電池組的熱量迅速帶出電池包，快速實現散熱需求。HUOYutao [7] 等設計了一種基于直流道液冷板對方形鋰離子電池進行冷卻，研究電池放電過程溫升和溫度分布的影響, 結果表明電池的最高溫度隨通道數量和入口質量流量的增加而降低。袁昊[8] 等比較U 型流道不同出口位置、管徑、間距對電池組散熱性能的影響，研究發現進口與出口同側結構的流動分布均勻。DENG Tao [9]等建立了蛇形通道結構的冷板，分析了冷卻通道數量、通道布局和冷卻劑入口溫度對電池熱管理系統冷卻性能的影響，結果表明5 通道長度方向的通道布局具有最有效的冷卻性能。特斯拉公司的D. Adams [10] 等將扁平管放置在兩排圓柱形電池間對其冷卻，冷卻管內部分為4 個通道，通過冷卻液逆向流動來確保電池間的溫均性。A. Jarrett [11] 對一個冷卻板進行了參數化建模，定義了壓降、平均溫度和溫度均勻性的目標函數，并使用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）方法優化了冷板的通道寬度和位置。單目標優化結果表明壓力目標和平均溫度目標是一致的，但是和溫度均勻性目標相悖。A. Jarrett [12] 在單目標優化設計基礎之上，通過添加中間權衡因子和對目標函數引入約束自適應加權和，對冷板進行了多目標優化，為冷板設計提供參考。
本文根據電池組具體幾何形狀及其散熱結構，提出一種并聯非等長直流道的液冷板結構方案，將其熱特性與并聯等長直流道設計方案進行對比，探究液冷板溫度分布、電池組溫度分布、液冷板壓降以及冷卻液流量和冷卻液溫度對電池包散熱性能的規律。
展開 輕型純電動商用車動力電池冷卻性能分析
1概述
電池作為純電動車的動力元件，直接影響到車輛的續駛里程、壽命和整車性能。對于純電動車來說，動力電池的充放電可能隨時進行。充放電是典型的電化學過程，其伴生的反應熱很容易引起電池組內100℃以上的溫差，如不及時散熱，對充放電過程、電池的可靠性和壽命都有極大的負面影響，電池熱效應問題也會影響到整車的性能和壽命。目前對動力電池冷卻主要是:保證充放電時產生的熱量及時散出;各模塊間溫度分布均勻。因此，本文以國內某輕型商用純電動車用磷酸鐵鋰電池包為研究對象，對現有電池冷卻方案進行了性能試驗對比和數據分析，確定了電池包冷卻的最終方案。
2動力電池冷卻方案
動力電池的冷卻主要有風冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式;與其他兩種冷卻技術相比，風冷方式技術更成熟，其研發、制造成本相對較低，周期短，目前被廣泛采用，國內目前市場上的純電動汽車也主要以風冷為主。風冷方式又分自然冷卻和強制冷卻。因此，某輕型商用純電動車型動力電池也選擇風冷方式，設計了強制冷卻和自然冷卻兩種風冷方式。強制冷卻是由鼓風機將乘員艙內被空調冷卻的25～30℃空氣抽進電池箱體，通過電池箱體內部強制對流帶走電池散發的熱量，最后排入環境中。自然冷卻無單獨冷卻系統，僅依靠自然對流散熱，該方式電池溫度高，但成本低。
為滿足車輛總重量大、續駛里程長的要求，該車型選用磷酸鐵鋰電池電容量達75kWh。因在現有成熟車型上進行動力總成改型設計，受車體空間影響，電池必須安放在地板下，且電池模塊必須分別放置在前后兩電池箱內才能滿足安裝要求。電池包冷卻方案結構示意圖如圖1。
展開 液冷電池熱管理系統在不同冷卻情況下的性能分析
來源 | Journal of Energy Storage
01
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（ESS）等領域，其性能直接影響了系統運行的安全與效率。鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、自放電率低、成本低、對環境友好等優點，但它們的性能對溫度非常敏感。熱安全性是限制電池發展的重要因素。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，以保證電池穩定運行。
電池熱管理系統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、串聯或并聯等。無論是電池儲能系統還是混合儲能系統，電池都是主要組成部分。充電時，儲能系統充當負載，放電時，儲能系統充當發電機組，并且只能在一定的溫度范圍內放電和儲存電力。電池熱管理系統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，高溫會加劇電池內部的副反應，影響電池壽命甚至引發熱失控。然而低溫會導致內阻增大、容量下降，進而導致電池性能下降。因此，為了實現電池儲能系統的最佳性能，需要合適的電池熱管理系統。
02
成果掠影
近期，吉林大學江彥老師團隊開發了一種高效的電池熱管理系統，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。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，以及冷卻面、入口數量和冷卻液方向對其冷卻效果進行了研究。
展開 動力電池浸沒式冷卻液的熱管理與流變動力學研究
同時開展低溫消泡性能測試，以保障流場的均一性，杜絕微觀氣蝕與局部熱點隱患。
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考慮系統體積和冷卻性能的風冷電池熱管理系統策略
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，電動汽車的續航能力就越好。高能量密度電池在充電和放電過程中會產生高熱量，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（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，以降低系統的最高溫度為主要目的。然而，冷卻系統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優化策略，該策略綜合考慮系統體積和冷卻性能，可以根據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：優化系統設計、建立計算代碼、多目標優化和綜合模擬決策。基于計算流體力學（CFD）的數值模擬用于驗證優化后系統的冷卻性能。與當前三種電池熱管理系統設計相比，體積最多減少了13.01%。穩定發熱過程中，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%。電池組非穩態發熱情況下，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 動力電池熱管理系統性能試驗方法
1 范圍
本標準規定了動力電池熱管理系統性能的試驗方法。
本標準適用于乘用車用動力電池熱管理系統，商用車用動力電池熱管理系統可以參考。
2 規范性引用文件
下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 2900.41-2008 電工術語 原電池和蓄電池
GB/T 19596-2017 電動汽車術語（ISO 8713:2002,NEQ）
GB/T 31467.2電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第2部分：高能量應用測試規程
QC/T 468-2010 汽車散熱器
GB/T 18386-2017 電動汽車 能量消耗率和續駛里程試驗方法
GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）
3 術語和定義
GB/T 2900.41-2008、GB/T 19596-2017中界定的以及下列術語和定義適用于本文件。
3.1 動力電池熱管理系統 battery thermal management system
綜合運用各種技術手段，具備動力電池冷卻、加熱、保溫和均溫等功能，保證動力電池在不同環境下正常工作的系統。同時，該系統可以在動力電池發生熱失控時提供報警信號，具備安全防護功能。通常，動力電池熱管理系統包括主動式熱管理系統和被動式熱管理系統兩種。
3.2 被動式熱管理系統 passive thermal management systems
基于熱傳導、熱輻射、熱對流等熱量傳輸原理，只依靠冷卻或加熱流體因為溫度因素緩慢流動自然完成熱量輸入輸出交換的熱管理系統。該類系統通常適用于單體產熱量小于5W的電池。
展開 主機廠對動力電池性能有哪些要求？
今天給大家簡單分享一下整車廠對動力電池的性能具體要求到底是什么樣的，需要走什么樣的開發測試流程。
一,車廠對電池性能的需求
其實對電芯的基本需求包括：能量密度（續航里程），安全，快充，成本，壽命，尺寸兼容。
比能量
比能量是保證混合動力汽車能夠達到基本合理的行駛里程的重要性能，連續2h放電率的比能量至少不低于44W·h/kg。
充電時間短
蓄電池對充電技術沒有特殊要求，能夠實現感應充電。蓄電池的正常充電時間應小于6 h，蓄電池能夠適應快速充電的要求，蓄電池快速充電達到額定容量的50%時的時間為20min左右。
連續放電率高，自放電率低
蓄電池能夠適應快速放電的要求，連續1h放電率可以達到額定容量的70%左右。自放電率要低，蓄電池能夠長期存放。
不需要復雜的運行環境
蓄電池能夠在常溫條件下正常穩定的工作，不受環境溫度的影響，不需要特殊加熱。保溫熱管理系統，能夠適應混合動力汽車行駛時振動的要求。
安全可靠
蓄電池應干燥、潔凈，電解質不會滲漏腐蝕接線柱和外殼。不會引起自燃或燃燒，在發生碰撞等事故時，不會對乘員造成傷害。廢蓄電池能夠進行回收處理和再生處理，蓄電池中有害重金屬能夠進行集中回收處理。電池組可以采用機械裝置進行整體快速更換，線路連接方便。
壽命長、免維修、制造成本低
蓄電池的循環壽命不低于1000次，在使用壽命限定期間內，不需要進行維護和修理。
根據中國汽車動力電池技術路線圖計劃，到2020年系統級能量密度要達到250Wh/kg，成本要降到1塊錢以下，續航里程達到400km以上，可選擇的成熟材料體系著實不多，目前基本上確認使用高Ni三元材料和硅基負極材料或者相應的高電壓材料。
展開 動力電池熱管理系統性能試驗方法
本標準規定了動力電池熱管理系統性能的試驗方法。
本標準適用于乘用車用動力電池熱管理系統，商用車用動力電池熱管理系統可以參考。
2 規范性引用文件
下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 2900.41-2008 電工術語 原電池和蓄電池
GB/T 19596-2017 電動汽車術語（ISO8713:2002,NEQ）
GB/T 31467.2電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第2部分：高能量應用測試規程
QC/T 468-2010 汽車散熱器
GB/T 18386-2017 電動汽車 能量消耗率和續駛里程試驗方法
GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）
3 術語和定義
GB/T 2900.41-2008、GB/T 19596-2017中界定的以及下列術語和定義適用于本文件。
3.1 動力電池熱管理系統 battery thermal managementsystem
綜合運用各種技術手段，具備動力電池冷卻、加熱、保溫和均溫等功能，保證動力電池在不同環境下正常工作的系統。同時，該系統可以在動力電池發生熱失控時提供報警信號，具備安全防護功能。通常，動力電池熱管理系統包括主動式熱管理系統和被動式熱管理系統兩種。
3.2 被動式熱管理系統 passive thermal management systems
基于熱傳導、熱輻射、熱對流等熱量傳輸原理，只依靠冷卻或加熱流體因為溫度因素緩慢流動自然完成熱量輸入輸出交換的熱管理系統。該類系統通常適用于單體產熱量小于5W的電池。
展開 電動汽車動力電池振動疲勞性能優化
電動汽車動力電池振動疲勞性能優化
VibrationFatigue Optimization for Electric Vehicle Power Battery
摘 要：基于整車運行工況及動力電池安全相關法規要求，需對動力電池進行振動疲勞性能驗證。采用標準振動載荷及疲勞分析軟件，可根據流程實現動力電池振動疲勞數值仿真分析。通過分析動力電池模態初步判斷振動疲勞風險部件，并為頻響分析提供支持；通過頻響分析初步判斷風險工況，并為振動疲勞提供計算輸入；振動疲勞分析發現并驗證風險位置，具體壽命及需整改區域。使用Altair軟件OptiStruct形貌優化對風險區域進行分析，確認優化方向及優化效果；結合結構特點及實現工藝設計優化風險部件，模態分析驗證了形貌優化及設計的正確性。對優化后動力電池頻響及振動疲勞性能分析，動力電池振動疲勞滿足預設指標，使用形貌優化方法提高動力電池振動疲勞性能是有效的。
關鍵詞：電動汽車，動力電池，振動疲勞，OptiStruct，頻響。
Abstract:Power Battery vibration fatigue performance is important to thevehicle, and the safety requirement of Power Battery is set up in manycountries, such as GB/T31467, etc.
展開 新能源汽車對動力電池性能要求
新能源汽車對動力電池性能要求
4種汽車動力電池性能對比
特斯拉在2012年以后火爆，并不是特斯拉的技術領先多少，日本在2005年就開發出來了性能比特斯拉Model S更優異的Eliica，但是當時鋰電池的高昂價格注定這個產品只是試驗品。
比亞迪正在開發性能不遜色于特斯拉Model S的E9，而做為電動車和燃油車過度的插電混合動力車，比亞迪秦馬上上市，寶馬混合動力的i3、i8都要上市，保時捷918也已經預訂。這背后就是2013年鋰電池的價格已經降低到一個可以接受的范圍。
未來幾年，隨著鋰電池價格的進一步下降和容量的進一步提升，電動車、插電混合動力車會越來越便宜，性能越來越好，電動車取代燃油車的進程才剛剛開始。
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熱仿真分享 | 動力電池PACK熱管理系統性能研究-STARCCM+
3、基于液體熱管理系統仿真分析
3.1、液體熱管理系統流場仿真分析
使用CFD軟件對液體熱管理系統流場進行仿真分析，當冷卻液流量為12L/min時，系統冷板及管路的仿真壓力云圖和速度云圖如圖3和圖4所示。分析結果表明，冷卻液進出口壓差為51kPa較為合理，整個流場流速分布均勻，符合設計要求。
3.2、快充冷卻性能仿真
設定快充冷卻過程仿真分析邊界條件及初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，快充倍率1.5C，發熱功率1978W，快充30min后充電倍率跳轉至0.3C，發熱功率為828W。仿真結果如圖5所示。整個充電過程最高溫度44.5℃，充電結束時，上極柱最高溫度為31℃，下極柱最低溫度為23℃，溫差8℃。
3.3放電冷卻性能仿真
設定放電冷卻過程仿真分析邊界和初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，放電倍率1C，發熱功率1407W。仿真結果如圖6所示。整個放電過程電池最高溫度42℃，放電結束時，上極柱最高溫度為34℃，下極柱最低溫度為25℃，溫差9℃。
3.4加熱性能仿真
設定低溫加熱過程仿真分析邊界條件：環境溫度-20℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度35℃，當最低溫度達到15℃后停止加熱。仿真結果如圖7所示。整個過程電池最高溫度30℃，充電結束時，上極柱最高溫度為23.5℃，下極柱最低溫度為15℃，溫差8.5℃。
4、實驗驗證
4.1、實驗條件和實驗設備
(1)實驗條件(環境溫度、濕度、壓強等)實驗過程環境溫度-30～40℃，濕度30%～50%，壓強101.325kPa。
展開 直播 I 電池系統建模預測動力典型性能及壽命
eid=684&f=jishulin
直播內容
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。
基于模型的電池系統開發，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。
直播時間
2022年7月28日 14:00-15:00
講師介紹
錢劍杰
達索系統CATIA系統
工程高級顧問
報名方式
點擊鏈接 報名直播
https://3ds.tbh5.com/dianchi/EventDetail.aspx?eid=684&f=jishulin
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點擊鏈接 報名直播
https://3ds.tbh5.com/SIMULIA/index.aspx?f=jishulin
- END -
展開 熱仿真分享 | 動力電池PACK熱管理系統性能研究-STARCCM+
3、基于液體熱管理系統仿真分析
3.1、液體熱管理系統流場仿真分析
使用CFD軟件對液體熱管理系統流場進行仿真分析，當冷卻液流量為12L/min時，系統冷板及管路的仿真壓力云圖和速度云圖如圖3和圖4所示。分析結果表明，冷卻液進出口壓差為51kPa較為合理，整個流場流速分布均勻，符合設計要求。
3.2、快充冷卻性能仿真
設定快充冷卻過程仿真分析邊界條件及初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，快充倍率1.5C，發熱功率1978W，快充30min后充電倍率跳轉至0.3C，發熱功率為828W。仿真結果如圖5所示。整個充電過程最高溫度44.5℃，充電結束時，上極柱最高溫度為31℃，下極柱最低溫度為23℃，溫差8℃。
3.3放電冷卻性能仿真
設定放電冷卻過程仿真分析邊界和初始條件：環境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度15℃，放電倍率1C，發熱功率1407W。仿真結果如圖6所示。整個放電過程電池最高溫度42℃，放電結束時，上極柱最高溫度為34℃，下極柱最低溫度為25℃，溫差9℃。
3.4加熱性能仿真
設定低溫加熱過程仿真分析邊界條件：環境溫度-20℃，冷卻液流量12L/min，進水溫度35℃，當最低溫度達到15℃后停止加熱。仿真結果如圖7所示。整個過程電池最高溫度30℃，充電結束時，上極柱最高溫度為23.5℃，下極柱最低溫度為15℃，溫差8.5℃。
4、實驗驗證
4.1、實驗條件和實驗設備
(1)實驗條件(環境溫度、濕度、壓強等)實驗過程環境溫度-30～40℃，濕度30%～50%，壓強101.325kPa。
展開 新能源汽車動力電池系統電性能試驗研究
動力電池系統作為新能源汽車核心三電部件之一，其電性能將直接影響整車的動力性與續駛里程指標。因此，試驗驗證動力電池系統的電性能在新能源汽車的設計開發過程中顯得尤為重要。
本文以某公司純電動廂式輕卡用動力電池系統為研究對象，以國家標準31467.2為依據，分別從容量和能量、功率和內阻以及能量效率等5個維度試驗研究其電性能并最終給出試驗結論，以評估該動力電池系統的電性能。
1 動力電池系統電性能試驗方法
1.1 試驗對象
動力電池系統作為新能源汽車的儲能系統，是車輛重要的能量來源。測試用動力電池系統結構模型如下圖1所示，其技術參數如下表1所示。
該動力電池系統包括兩個蓄電池包（每個蓄電池包由1P6S和1P7S兩種規格的蓄電池模塊串聯而成）、一個高壓盒（內含電池管理系統（BMS）、高壓和絕緣檢測模塊以及保險絲和繼電器等部件）和若干動力線束、通訊線束等，通過CAN網絡與整車進行通訊。
1.2 試驗原理
動力電池系統電性能試驗原理如下圖2所示。BMS通過CAN總線與動力電池綜合性能測試系統建立通訊，并將動力電池系統的電壓、電流和溫度等信息上報。上位機PC對測試系統的輸出電壓、電流及BMS上報信息進行同步儲存，并將動力電池系統的單體電壓和溫度等信息作為工況截止條件，實現準確判定并自動進行工步跳轉。將動力電池系統布置在步入式高低溫交變濕熱試驗箱中，可測試其在不同環境溫度下的電性能。
1.3 試驗項目
目前有關動力電池系統電性能測試的主要依據是GB/T31467.1-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第1部分：高功率應用測試規程》和GB/T31467.2-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第2部分高能量：應用測試規程》這兩個國家標準。
展開 