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锂离子电池包热管理的要求是根据锂离子电池发热机理,合理设计电池包结构,选择合适的热管理方式,合理设计热管理策略,保证电池包内各个单体电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性。
动力蓄电池热管理系统(BTMS,Battery Thermal Management System)对纯电动汽车在各种环境下的动力性有至关重要的影响。通过研究分析锂离子电池产热原理,BTMS传热冷却方式,及风冷散热和液冷散热方案的比较,说明液冷散热效果好于风冷,液冷散热将是未来适合复杂工况的大功率锂离子动力电池热管理的重要研究方向。
动力蓄电池作为纯电动汽车的动力来源,是提高整车性能和降低成本的关键一环,其温度特性直接影响电动车的性能、寿命和耐久性。锂离子电池因比能大、循环寿命长、自放电率低、允许工作温度范围宽、低温效应好等优点是电动车目前首选的动力电池。锂离子电池包热管理的要求是根据锂离子电池发热机理,合理设计电池包结构,选择合适的热管理方式,合理设计热管理策略,保证电池包内各个单体电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性。由于电池组中单体电池是互相串联的,任何一只电池性能下降都会影响电池组的整体表现。温差为5℃、10℃、15℃时,相同充电条件下电池组的荷电态分别下降10%、15%、20%。
锂离子电池热特性
电池在充放电过程中都会发生一系列化学反应,从而产生热反应。锂离子动力电池的主要产热反应包括:电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应、负极与粘合剂的反应和固体电解质界面膜的分解。此外,由于电池内阻的存在,电流通过时,会产生部分热量。低温时锂离子电池主要以电阻产生的焦耳热为主,这些放热反应是导致电池不安全的因素。电解液的热安全性也直接影响着整个锂电池的电池动力体系的安全性能。
实际运行环境中,动力系统需要锂离子电池具备大容量与大倍率放电等特点,但同时产生的高温增加了运行危险。所以,降低锂离子电池工作温度,提升电池性能至关重要。
BTMS传热冷却方式
BTMS中按照能量提供的来源分为被动式冷却和主动式冷却,其中只利用周围环境冷却的方式为被动式冷却,组装在系统内部的、能够在低温情况下提供热源或者在高温条件下提供冷源,主动元件包括蒸发器、加热芯、电加热器或燃料加热器等的方式为主动式冷却。按照传质的不同可以分为空气强制对流、液体冷却、相变材料(PCM,Phase Change Material)、空调制冷、热管冷却、热电制冷和冷板冷却等。根据不同的放电电流倍率、周围温度等应用要求选择不同的冷却方式。
空气强制对流
空气作为传热介质就是直接让空气穿过模块以达到冷却、加热的目的。很明显空气自然冷却电池是无效的,强制空气冷却是通过运动产生的风将电池的热量经过排风风扇带走,需尽可能增加电池间的散热片、散热槽及距离,成本低,但电池的封装、安装位置及散热面积需要重点设计。可以采用串联式和并联式通道(如图1所示)。
仿真结果研究得出了电池的散热特性:在自然冷却下热辐射占整个散热的43%~63%强化传热是降低最高温度的有效措施,但扩大强化传热的范围并不会无限地提高温度一致性。
风冷方式的主要优点有:结构简单,重量相对较小没有发生漏液的可能有害气体产生时能有效通风成本较低。缺点在于其与电池壁面之间换热系数低,冷却、加热速度慢。
在串并联风道中,放置6块发热电池,假设电池密度均匀(2700kg/m3),热生成率相同(50000w/m3)。空气以5m/s的速度流入,进口温度为25℃(298K),出口自由敞开,电池模型使用结构体网格,数量为25万个。
通过仿真分析得到电池温度表格如表1所示。串联式流道整体温差为5.6℃,并联式流道整体温差为3.0℃;串联流道中间电池热累计较多,整体温度较高,一致性较差;并联流道整体温度较低,一致性较好;但因本例入口风道为水平直角,故靠近入口电池温度较高。若将风口向上倾斜一定的角度,散热效果会更好。因此,改变风道设计,对电池散热影响较大。
液体冷却
在一般工况下,采用空气介质冷却即可满足要求,但在复杂工况下,液体冷却才可达到动力蓄电池的散热要求。采用液体与外界空气进行热交换把电池组产生的热量送出,在模块间布置管线或围绕模块布置夹套,或者把模块沉浸在电介质的液体中。若液体与模块间采用传热管、夹套等,传热介质可以采用水、乙二醇、油甚至制冷剂等。若电池模块沉浸在电介质传热液体中,必须采用绝缘措施防止短路。传热介质和电池模块壁之间进行传热的速率主要取决于液体的热导率、粘度、密度和流动速率。在相同的流速下,空气的传热速率远低于直接接触式流体,这是因为液体边界层薄,导热率高。
液冷方式的主要优点有:与电池壁面之间换热系数高,冷却、加热速度快;体积较小。主要缺点有:存在漏液的可能;重量相对较大;维修和保养复杂;需要水套、换热器等部件,结构相对复杂。
实验结果表明相对于液体冷却/加热,空气介质传热效果不是很明显,但是系统不太复杂。对于并联型混合动力车,空气冷却是满足要求的,而纯电动汽车和串联式混合动力车,液体冷却效果更好(见图2)。
通过仿真分析得到电池温度表格(如表1所示),在不同流道设计的情况下,液体冷却温度一致性较好。虽然并联流道整体温度低于串联流道,温度仅相差0.4℃。但从实际与设计角度考虑,串联流道结构规整简单更适合产品设计。
目前制造商不愿意选择液体冷却是因为密封不好会导致液体泄漏,所以密封设计是极其重要的。
结论
本文基于有限元仿真软件,在风冷与液冷两种不同模式不同的流道下,对电池温度冷却效果进行比较。通过对上述内容研究表明:(1)风冷在不同的流道下,对电池的温度一致性影响较大,但并联流道散热效果好于串联流道;(2)液冷无论在串、并流道下,对电池温度的一致性影响较小,并且整体散热效果要远好于风冷方式。随着电池模块容量的增大,恶劣环境下运行对电池性能的要求越来越苛刻,高效的电池热管理系统及其重要。空气强制冷却由于冷却能力不强只能在小型功率且良好工况下使用;而液冷整体冷却效果更适用于大型功率或者复杂工况下使用。因此液冷是未来电池热管理的重要研究发展方向。
汽车热管理之家
电池热管理的主要功能包括：电池温度的准确测量和监控；电池组温度过高时的有效散热；低温条件下的快速加热；保证电池组温度场的均匀分布；电池散热系统与其他散热单元的匹配。
图1 电池热管理关系图
电池包的冷却有风冷和液冷两种方式。研究表明风冷方式易实现，但电池包温度梯度变化较大，不利于电池稳定工作。通过冷却液与空调系统的制冷剂进行换热的液冷方式逐渐成为主流。对新能源汽车电池热问题的科学管理，需要考虑多个系统的相互影响。各系统之间的影响关系如图 1所示，电池包冷却与汽车空调系统、电机冷却系统、发动机冷却系统等多个系统存在不同程度的耦合。这样在做电池系统温度控制策略、热管理时就要同时分析与其他系统的影响关系。
解决方案
为了解决电池热管理中，流体系统之间复杂的耦合系，可以采用Dymola软件的蒸发循环库、液冷库、电池库等搭建一维仿真模型。去模拟整个模型系统，分析不同系统之间的耦合关系，从而实现对复杂系统的化控制。
图2 Dymola 模型库
Dymola软件具有丰富的模型库，采用基础库与商业库可以方便的搭建电池热管理系统。蒸发循环库涵盖了市面上几乎所有主流的制冷剂，有着精确的两相流模型和根据结构建模的换热器模型；考虑元件生热和温度对元件电气性能影响的电阻、二极管、晶闸管、电机等基础元件模型；具有热容、热传导、对流、辐射、温度、热流边界条件等的传热元件模型；可用于电池液流管路建模、部件选型、系统性能研究的液冷库中包括管路、控制阀、恒温阀、泵、风机、换热器、膨胀箱等模型；考虑电池单体的差异和温度对电池容量、外特性影响的Modelon电池库，可用于分析电池的电、热、寿命等方面的特性。
对于电池热管理而言，控制系统是必不可少。Dymola基础库中包含用于控制、逻辑建模的模型库，可用于搭建控制系统。另外也可以通过FMI接口导入控制模型对应的FMU通过Simulink搭建控制律模型，并将模型转为FMU导入Dymola中，可与电池系统模型、加热/冷却系统模型进行联合仿真。
图3 控制系统模型
采用Dymola软件提供的蒸发循环库，可搭建热管理系统的空调系统模型；采用Dymola软件中的液冷库可以搭建电池冷却循环、发动机冷却循环和功率电子元件冷却循环等；采用Dymola软件中的电池库可以搭建电机、电池等组成的电池驱动系统。蒸发循环库、液冷库及其他模型库可以无缝连接组成大系统，便于热管理模型系统仿真分析。Dymola还可搭建控制算法，同时其也可以通过Simulink接口，调用Matlab/Simulink软件的控制算法，实现热管理系统控制模型与仿真物理模型之间的联合仿真，用于控制策略的设计、验证，使工程师更好的设计热管理系统模型。
应用案例
图4为采用Dymola软件搭建的电池热管理一维仿真模型。左侧红色点划线区域为采用蒸发循环库搭建的空调系统蒸发循环；中间红色点划线区域为采用液冷库搭建的电池冷却循环；蒸发循环与冷却循环之间黑色实线区域为冷却液与制冷剂之间的换热单元；最右边红色实线区域为电机电池等元件组成的驱动系统。
图4 电池管理系统一维仿真
电池电机供电、电机驱动负载，电池产生的热量通过液冷循环与空调系统之间的换热器实现冷却液与制冷剂之间的热量交换，然后通过空调系统传到发动机舱，最后热量被空气带走。图 5为不同泵的转速下电池包温度变化曲线。改变冷却循环中泵的转速可以将流过电池包的冷却液温度保持在所需要的温度范围。
图5 液冷泵不同转速下电池包温度变化曲线
图6为在搭建的模型系统基础上添加简单控制系统模型，模型运行中可实时查看蒸发循环压焓图，监测系统运行状况。蓝色区域检测蒸发器出口温度，通过控制变排量压缩机排量保证蒸发器出口温度恒定。黑色区域通过调节冷却循环中泵的转速和蒸发循环中冷凝器空气侧空气流量使电池温度保持在所需的温度范围内。
图6 简单控制模型
图7 不同散热功率下电池包温度变化曲线
图7所示，电池包设定温度（红色）与实际温度（绿色）变化关系，在100s时电池包发热功率突然降低，电池包温度也发生变化，但通过调节发冷却泵转速与冷凝器侧风扇转速快速调节系统的散热量，从而使电池包温度稳定在合理的范围内。
总结
采用Dymola一维仿真软件可以完成仿真模型系统搭建与仿真分析。所搭建模型既可以用于模型匹配设计、元件选型也可以用于系统仿真进行模型系统能量分配分析。还可以作为仿真模型可以提升工程师对系统性能的理解，作为被控对象用于控制策略设计、验证控制模型的准确度及控制效果。
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