1、新能源汽车动力电池热管理培训Page 1 内部电阻生热导致的电芯温度升高 在高充放电电流下，电芯内部的欧姆热使电芯温度迅速上升。如无合适的冷却，电芯很快就会达到不安全温度，导致电芯过热。电池包必须有合适的热管理系统才能正常工作。MGL-8Ah锂离子电池，15C 放电率Panasonic-6.5Ah镍氢电池,15C 放电率电池包热管理的重要性（1）Page 3电池包热管理的重要性（2）电池包内任一个电芯的温度都不应超过许可的最高工作温度 电芯的最高温度超过60C时就潜在发生因过热导致的的电芯安全性问题。虽然电芯过热的后果是可能导致整个电池包烧毁，但把电池包内的电芯温度控制在60C以下属于接近常温
2、的传热问题，在传热学上和散热设计上都算不上是一个很大的挑战。电池包传热设计中真正有挑战的问题是：准确地估计电芯的散热量；合理地选择冷却方式及设计冷却系统；使电池包内所有电芯间的最大温差及每个电芯的最大温差都不大于5C。SafeSafePage 4电池包热管理的重要性（3）电芯温度对电池包安全性和性能的影响 20 45 C是锂电池电芯的理想工作温度区间。这个接近环境温度的温度范围听起来不是什么挑战，但实际上越接近环境温度，冷却设计就越不容易：电芯温度和环境的温差越小，冷却系统向环境传热的驱动力就越小；当环境温度等于或高于电芯工作温度时，就必须借助制冷系统冷却电池。一个电池包可以有近百个或几百个电
3、芯，所以控制这些电芯温度的均匀性不是一件易事：最热的电芯决定了整个电池包的安全；最冷的电芯决定了整个电池包的性能；一个电芯内和电池包内电芯间的最大温差决定了整个电池包的寿命。电池包热管理是通用在开发Volt时的最大挑战。电池包的造价和安全性问题，及电池包热管理所需的电池和传热学知识，是做电池包冷却的工程师市场价值高的客观原因。Page 5锂离子电池的内阻（1）电芯的内部电阻 锂离子电芯内部的电阻由三部分构成：欧姆电阻，极化电阻，和浓度电阻。欧姆电阻是电子电流的导电阻力，而极化电阻和浓度电阻是离子电流的导电阻力。内部电阻的温度和SOC或DOD（=1 SOC）的关系主要反映了电池结构及电解质的特性
4、：温度越低，放电深度越大，电芯内阻就越大。Page 6锂离子电池的内阻（2）10秒高脉冲功率下的直流电阻 锂离子电芯内阻可以有两种方法评估：1kH的交流脉冲电流作用下的电抗；由HPPC型谱下直流脉冲电流测得的直流电阻，电流脉冲时间可选择1秒，5秒或10秒。保守起见，应采用10秒直流电阻计算热量，它综合考虑了电子电流和离子电流的电阻。Page 7电池包使用过程中热量的生成（1）电池包使用过程中电芯的生热量 电池包生热可按下式计算Q=I2 Ri nI=是按移动时间窗口 t 计算的每个电芯的平均电流Ri=电芯内阻n=电池包内电芯的数目 I2t电流的概念 电芯温度对热量的跟随性取决于电芯的热容量。热容
5、量越大，电芯的温度反应就越慢，电芯的热过载能力就越强。电池包的冷却设计不应以瞬态电流计算，这会导致过设计。电池包冷却应采用I2t电流计算热量。根据电芯负荷的不同，移动时间窗口 t 可以是30s，60s 或 120s。为准确反映动态特性，负荷越大，时间窗口就应越小。Page 8电池包使用过程中热量的生成（2）I2t电流的计算 电池包使用时的电流随驱动条件及能量管理要求而变化，瞬态电流值可达200A或更高。但瞬态高电流的持续时间极短，所以不能建立电芯温度和瞬态电流的关系，也就无法根据瞬态电流去设计电芯的散热。这就是我们通常所说的系统对温度反映的时间常数问题。实际电芯散热是根据选定的移动窗口通过I2
6、t电流进行计算设计的。下式给出I2t电流和平均电流的计算公式：Page 10电芯、模组和电池包在电池包冷却系统中的功能 电芯、模组和电池包在电池包热管理中的作用电芯：定义了电池包生热，但不能决定电芯温度因无法定义散热边界，是被控制环节。电化学发生在电芯内部，因而电池包驱动电流和生热的关系定义在电芯环节。电芯生热、储热，及向冷却介质的散热这三者的关系决定了电芯的工作温度。模组：定义了电芯和冷却介质的关系，是冷却设计也是控制电芯温度及其均匀性的关键环节。电芯生热通过模组定义的冷却边界散给冷却介质，模组是电芯散热的关键环节。电池包：是各模组冷却子系统的集成环节，也定义了冷却介质把电池散热传到电池包外
7、的方式。热管理的关键环节，通过对冷却介质的温度及流量控制实现对电池包内电芯的热管理。决定了冷却介质在电池包内的分布，也决定了冷却介质是如何把所吸收的电芯热量传到电池包以外的散热单元并通过其散给环境，确定了冷却系统的特性。但并不一定直接针对环境。Page 11电池包冷却方式的选择（1）直接和间接冷却系统 直接冷却系统中冷却介质在模组内直接和电芯接触，间接冷却系统中冷却介质通过热传导单元把热量传到模组外，冷却介质和热传导单元直接接触并把热量带走。空冷直接冷却系统水冷直接冷却系统空冷间接冷却系统水冷间接冷却系统Page 12电池包冷却方式的选择（2）直接空冷和直接水冷的区别 在电池冷却系统中，电芯是
8、热源，环境是热汇。最高的温度是电芯，最低的温度是环境的空气。根据冷却介质和环境的关系，可定义如下：环境空气是一次冷却介质，冷却水是二次冷却介质。二次冷却介质处于自身的封闭系统中，不和环境空气直接接触，必须通过散热器向环境散热。直接空冷的优点是可以从驾驶舱取空调过的空气，避开环境温度约束；同时，不需专门设计电池包排气。缺点是由于空气热容量小，传热系数小，进出口空气温差大，不利于控制电池包内电芯间的最大温差。直接水冷的优点是可以利用水的高热容量及高传热系数有效地控制电池包内电芯间的热均匀性。缺点是每个电芯都要有自己的冷却水路，水冷设计困难；同时，由于冷却水是二次冷却介质，需通过散热器把冷却水吸收的
9、热量散给环境，而散热器的散热能力受冷却水和环境温度之差限制；由于增加了水泵，散热器及冷却风扇，系统造价高，耗能大。但直接水冷系统不容易导致热失控。Page 13Print Date:7/19/2016Revise Date:20167-20电池包冷却方式的选择（3）间接空冷和间接水冷的区别 间接冷却仅能用于矩形硬包电芯和软包电芯，不能用于圆柱形电芯。目前应用圆柱形电芯的上市产品大多采用直接空冷。软包电芯的间接冷却需通过导热板把热量传导到电芯外部，冷却介质仅对导热板进行冷却。硬包电芯的间接水冷还可以采用电芯直接和冷却板接触的方式冷却。间接空冷系统仍然可以从驾驶舱取空调过的空气，避开环境温度约束，
10、也不需专门设计电池包排气。电芯内的温差由导热板决定。其缺点仍然是由于空气热容量小，模组进出口空气温差大。传热系数小的问题可以通过强化传热技术改善。另一个缺点是由于风道的原因电池包布置不太紧凑。软包和硬包电芯都可以用间接水冷冷却，可以从不同侧面采用多个冷却板冷却。间接水冷的优点是温度均匀性好。由于间接冷却，水路简单。但缺点是冷却水是二次冷却介质，需通过散热器把冷却水吸收的热量散给环境，而散热器的散热能力受冷却水温度和环境温度之差限制；由于增加了水泵，散热器风扇，系统造价高，耗能大。间接水冷系统很难保证电芯和冷却板的良好接触，极易产生接触热阻，使传热恶化。电池包内电芯越多，冷却板越大，这个问题就越
11、严重。Page 14电池包冷却方式的选择（4）间接空冷和间接水冷系统的附加传热热阻 间接冷却时如采用高导热系数的铝导热板，电芯内部温差由铝导热板控制，均匀性较好。如无导热板时，电芯内部温差由电芯自身的导热特性决定。无论是否使用导热板，间接冷却都增加了传热环节，即增加了电芯和冷却介质间的温差。采用水冷时，冷却能力受环境温度影响较大。对间接水冷系统，当不采用导热板时，对电芯的几何尺寸控制要求较高，也不应该在热膨胀较大的电芯侧面布置冷却板，以免电芯因受到挤压而损坏。Page 15电池包冷却方式的选择（5）间接空冷模组的电芯传热途径分析 由于电芯的内部温度是无法测量的，所以，无论风冷还是水冷，在间接冷
12、却时一定要对电芯的传热途径有清楚的了解才能合理地设计电池包的冷却系统。CellsThermal padCooling finModule frameHeat conductionHeat conductionHeat convectionAir flowPage 16电池包冷却方式的选择（6）高温环境下的电池冷却系统 在电池包冷却过程中，电芯是热源，环境是热汇，传热过程是热量从源到汇的流动。当环境温度接近电芯许可的工作温度时，对水冷系统就无法提供散热器所需的传热驱动温差。这时就必须借助于空调系统来冷却电池包，即通过冷凝器把冷却介质的温度提高到高于环境的温度再向环境散热。在利用空调系统时，冷却水是二次冷却介质，空调制冷剂是冷却二次冷却介质的三次冷却介质。Page 29电池包间接水冷的冷却设计示例 间接水冷的冷却设计示例
