干货 | 动力电池热管理系统组成及设计流程-第3页-北极星储能网

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3、电池生热率

电池充电过程中的反应生热可以分为两个阶段。

第1阶段：

没有发生过充电副反应之前，生热量主要来自:电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。

第2阶段：

在发生过充电副反应之后，生热量主要来自:电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。其中大部分的生热量来自于过充电副反应生热。充电末期和过充电时，过充电副反应就开始发生。

电池放电过程中的生热量主要来自:电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。需要指出的是氢镍电池放电时化学反应是吸热反应，能吸收一部分热量，所以生热问题不是很严重。

电池的内阻是影响电池生热速率的关键指标，它随着电池SOC变化，在得到电池内阻值后可以通过计算获得电池生热量，下图是某12V～80Ah氢镍电池模块在不同SOC下的内阻值。

采用专门设计的量热计可以直接测量出电池的生热量，还可以测出电池的热容量。

4、电池生热量主要因素

5、散热结构设计

电池箱内不同电池模块之间的温度差异，会加剧电池内阻和容量的不一致性，如果长时间积累，会造成部分电池过充电或者过放电，进而影响电池的寿命与性能，造成安全隐患。电池箱内电池模块的温度差异与电池组布置有很大关系，一般情况下，中间位置的电池容易积累热量，边缘的电池散热条件要好些。所以在进行电池组结构布置和散热设计时，要尽量保证电池组散热的均匀性。以空冷散热为例来，通风方式一般有串行和并行两种，如下图所示。

串行通风方式下，冷空气从左侧吹入从右侧吹出。空气在流动过程中不断地被加热，所以右侧的冷却效果比左侧要差，电池箱内电池组温度从左到右依次升高。

并行通风方式使得空气流量在电池模块间更均匀地分布。并行通风方式需要对进排气通道，电池布置位置进行很好地设计，其楔形的进排气通道使得不同模块间缝隙上下的压力差基本保持一致，确保了吹过不同电池模块的空气流量的一致性，从而保证了电池组温度场分布的一致性。

6、风机与测温点选择

在设计电池热管理系统时，希望选择的风机种类与功率、温度传感器的数量与测温点位置都恰到好处。

以空冷散热方式为例，设计散热系统时，在保证一定散热效果的情况下，应该尽量减小流动阻力，降低风机噪音和功率消耗，提高整个系统的效率。可以用实验、理论计算和流体力学CFD仿真（本案例采用FloEFD软件）的方法通过估计压降、流量来估计风机的功率消耗。当流动阻力小时，可以考虑选用轴向流动风扇；当流动阻力大时，离心式风扇比较适合。当然也要考虑到风机占用空间的大小和成本的高低。寻找最优的风机控制策略也是热管理系统的功能之一。

同侧风道流线图

异侧风道流线图

电池箱内电池组的温度分布一般是不均匀的，因此需要知道不同条件下电池组热场分布以确定危险的温度点。测温传感器数量多，有测温全面的优点，但会增加系统成本。考虑到温度传感器有可能失效，整个系统中温度传感器的数量又不能太少，至少为两个。根据不同的实际工程背景，理论上利用有限元分析、试验中利用红外热成像或者实时的多点温度监控的方法可以分析和测量电池组、电池模块和电池单体的热场分布，决定测温点的个数，找到不同区域合适的测温点。一般的设计应该保证温度传感器不被冷却风吹到，以提高温度测量的准确性和稳定性。在设计电池时，要考虑到预留测温传感器空间，比如可以在适当位置设计合适的孔穴。

05热管理系统性能评估

仿真是电池热管理系统最有效的评估手段之一。根据目前已有的风冷和水冷项目经验，仿真可以完成如下工作：

1）水冷系统冷却板的压降计算以及冷却水流动一致性计算；

2）电池包热性能评估计算；

3）空气冷却系统优化计算。

1、散热型电池包热管理案例

以下为某混合动力汽车建立的整车热管理，其中包含电池包热管理模型、乘员舱模型、发动机冷却、HVAC、油冷系统和电机冷却系统FloMASTER软件（软件原名称Flowmaster）仿真模型，其中针对电池冷却系统，开展了一系列的设计仿真工作。