電池?zé)峁芾碇R總結(jié)課件

1、一（1）3.4.1 電池組熱管理系統(tǒng)的功能電池組熱管理系統(tǒng)的主要功能如下： 電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)；低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)；保證電池組溫度場的均勻分布。3.4.2 電池組熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)電池組熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：確定電池最優(yōu)工作溫度范圍；電池?zé)釄鲇嬎慵皽囟阮A(yù)測；傳熱介質(zhì)選擇；熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計；風(fēng)機與測溫點選擇3.4.3 電池組熱管理策略熱管理從性質(zhì)上可分為降溫過程和升溫過程。（1） 降溫?zé)峁芾?降溫?zé)峁芾碜钪苯拥哪康氖欠乐闺姵亟M的溫度超過電池工作的最高溫度，進(jìn)一步的要求還包括：控制電池組的溫升，均衡

2、電池箱內(nèi)各點的溫度，保持各單體電池的溫度一致，防止因溫度不同而造成電池組間的電池性能差異。按照降溫介質(zhì)可以分為空氣冷卻法、液體冷卻法和相變材料冷卻法。其中，空氣冷卻是最便宜的方法；液體冷卻除了需要盛放冷卻介質(zhì)的空間，還需在體外有額外的循環(huán)系統(tǒng)，相變材料冷卻的方法較為昂貴19。溫度是一個慣性比較大的環(huán)節(jié)，因此對空氣冷卻降溫?zé)峁芾硎褂脺h(huán)的方法來控制，如圖 7所示，這樣可以避免因溫度在臨界點波動造成風(fēng)機頻繁啟停。2）升溫?zé)峁芾?對于鋰電池而言，低溫下電池負(fù)極石墨的嵌入能力下降。因此，低溫主要是對鋰電池的充電有負(fù)面影響，對電池的放電則影響不大20。在低溫時，由于電池的活性差，電池負(fù)極石墨的嵌入能力下

3、降，這時大電流充電很可能出現(xiàn)電池?zé)崾Э厣踔涟踩鹿?。因此，?dāng)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到電池溫度過低時會發(fā)出控制信息，通知充電機進(jìn)行小電流充電。另外，由于低溫（低于-10 ）環(huán)境下，電池的內(nèi)阻會增加。在充電過程中，電池就會產(chǎn)生更多的熱量，使得電池的溫度逐漸升高。這樣在進(jìn)行一定時間的小電流充電后，當(dāng)監(jiān)測到電池的溫度正常后，即可通知充電機恢復(fù)正常模式充電。綜合以上的策略，鋰電池的熱管理控制流程圖如圖 8 所示。二（2）12 電動車電池組熱管理系統(tǒng)BTMS的主要功能BTMS 通常有以下幾項主要功能4:( 1) 保持電池的溫度均衡，以避免電池間的不平衡而降低性能;( 2) 通過使用氣體、液體、導(dǎo)體與電池直接或間

4、接接觸來主動或被動加熱/冷卻電池組;( 3) 消除因熱失控引發(fā)電池失效甚至爆炸等危險;( 4) 提供通風(fēng)，保證電池所產(chǎn)生的潛在有害氣體能及時排出，保證使用電池安全性。2 BTMS 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)21 確定電池最優(yōu)工作溫度范圍不論在何種氣候條件與車輛運行工況下，BTMS都要盡可能地將電池組的工作溫度保持在最優(yōu)的工作溫度范圍內(nèi)。所以設(shè)計 BTMS 的前提是要了解電池組最優(yōu)的工作溫度范圍。本文研究的對象是磷酸鐵鋰電池，其安全工作溫度: 充電時，10 +45 ; 放電時，30 +55 ，一般其最優(yōu)工作溫度范圍為 10 50 5。22 散熱方式的選擇目前，使用較多的幾種散熱方式為風(fēng)冷散熱、水冷散熱、空調(diào)制

5、冷和熱電制冷6( 見表 1) 。在綜合考慮了系統(tǒng)制作的難易程度和成本因素后，本文選擇了風(fēng)冷散熱的方式，而且本田公司的思域和豐田的普銳斯也都采用了風(fēng)冷散熱方式。23 熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計電池包內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異會加劇電池的不一致性，如果長時間積累會造成部分電池過充或過放，進(jìn)而影響電池包的性能與壽命，并埋下安全隱患。電池包內(nèi)電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關(guān)系，通常中間位置的電池容易積累熱量，兩邊的電池散熱情況較好。所以在進(jìn)行電池組系統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，要盡量保證電池組散熱的均勻性。對風(fēng)冷散熱而言，主要分為串行風(fēng)冷和并行風(fēng)冷 2 種。一般來說，采用并行方式進(jìn)行通風(fēng)更為有效7，每個

6、電池模塊都可以吹到同樣量的冷風(fēng)，保證了模塊間溫度的一致性，并且電池組的溫度可以用幾個特定位置的溫度傳感器來顯示，便于電池管理器對溫度的采集8。本文采用并行風(fēng)冷進(jìn)行電池組散熱。電池分為上下兩排放置，并由 3 層支架固定在一起。每層支架上部橫向開有 5 個長條形孔( 通道 1 5) ，3 層支架上的孔構(gòu)成了縱向的 5 個通道，用于氣流通過?？諝鈴倪M(jìn)風(fēng)口進(jìn)入下部導(dǎo)( 集) 流板，分成 5股氣流對電池進(jìn)行冷卻，最后在上部導(dǎo)( 集) 流板匯集后從出風(fēng)口排出( 見圖 1) 。24 結(jié)構(gòu)形式的分析本文主要是通過調(diào)整通道的間距以及改變集流板的傾斜角度，找出流速均勻性最好的散熱結(jié)構(gòu)。對于調(diào)整通道的間距，一種是間

7、距均等，另一種是使通道間距從左至右依次減小，通道間距的遞減值分別為 1、2 和 3 mm，則每種方案下 5 個通道上的實際間距見表 2。調(diào)整氣流通道的間距，也即是調(diào)整其流動阻力，通道間距越小，則意味著阻力越大，當(dāng)氣流通道間距從左至右依次減小時，阻力依次增大，這樣空氣會根據(jù)其受到的阻力重新分配流量，從而起到調(diào)整空氣流速分布的目的。這是一種直接調(diào)整流速的方法。第 2 種方法是改變導(dǎo)流板與水平面夾角，本文采用了 3 種導(dǎo)流板傾斜角度方案，分別是 2°、4°和 6°。流體流動的根本原因就是壓差，上下集流板傾斜角度的變化影響了通道兩側(cè)的壓差，從而間接影響了流速6。這是一種間

8、接調(diào)整流速的方法。 25 流速均勻性分析本文采用 Gambit 軟件生成網(wǎng)格，然后導(dǎo)入 Fluent軟件來對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行模擬計算，得到每種結(jié)構(gòu)形式中 5 個通道的流速，從而分析間距遞減值和集流板傾斜角度對流速分布的影響，并確定出使流速均勻性最好的結(jié)構(gòu)形式9 見圖 2 5) 。取每一種結(jié)構(gòu)變動形式中的最大流速和最小流速的差值作為指標(biāo)來衡量其流速均勻性，結(jié)果如圖 6 所示?？梢钥闯?，流速均勻性最好的結(jié)構(gòu)形式是通道間距遞減值為 2 mm，導(dǎo)流板傾斜角度為 4°的方案。3. 2 熱管理系統(tǒng)控制流程溫度較低時( 10 ) ，電池的活性較差，這時大電流充電可能引發(fā)熱失控。因此，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到溫度過

9、低時會發(fā)出控制信息，通知充電機進(jìn)行小電流充電。充電過程中，部分電能轉(zhuǎn)為熱量，電池會逐漸升溫。這樣在充電一段時間后，當(dāng)監(jiān)測到電池溫度恢復(fù)正常后( 10 ) ，即可通知充電機停機。由于低溫主要是對鋰電池的充電有負(fù)面影響，而電池放電過程屬于放熱反應(yīng)，電池的溫度會很快上升到適宜溫度。因此，這一過程并不需要主動管理11。當(dāng)測溫模塊檢測到溫度 70 時，系統(tǒng)報警; 溫度 50 時，風(fēng)機全速運行; 當(dāng) 40 溫度 50 時，風(fēng)機進(jìn)入節(jié)電模式采取中速運行，直到低于 40 時風(fēng)機停機。綜合以上的策略，熱管理控制流程圖參見圖 7。3. 3 結(jié)果分析在實驗室常溫條件下( 25 ) 幾種電池組散熱方式測試結(jié)果如表 3

10、 所示。以上測試結(jié)果表明，改進(jìn)后的并行通風(fēng)可以明顯降低電池組的溫度，且將溫差控制在3 以內(nèi)，使電池溫度維持在最優(yōu)工作溫度下且單體間溫差最小。三（3）下面 將 采 用 通 過 仿 真 和 實 驗 相 結(jié) 合 的 方 法，對SWB6116HEV 混合動力客車的 LiFePO4 電池包散熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并在上述研究的基礎(chǔ)上，找出了影響電池包散熱性能的主要因素，對電池包散熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了令人滿意的結(jié)果。1 LiFePO4 電池的熱物理模型為了對混合動力客車電池包中的熱流場進(jìn)行 CFD 仿真，首先應(yīng)當(dāng)建立單體 LiFePO4 電池的熱物理模型。同其他類型的車載動力蓄電池一樣，LiFePO4 鋰

11、離子電池包含正極板、負(fù)極板、隔膜、電解質(zhì)溶液等。由于電池的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，故對其內(nèi)部熱場的精確仿真存在較大的困難。為此可以對電池的熱物理模型進(jìn)行必要的簡化。文獻(xiàn)1中將電池的發(fā)熱功率處理為關(guān)于電池電流強度的函數(shù);文獻(xiàn)2中使用了 ANSYS 軟件對電池內(nèi)部的熱場分布進(jìn)行了 2D有限元仿真，并通過仿真結(jié)果指出:可以將電池內(nèi)部處理為沿三個正交方向具有不同導(dǎo)熱系數(shù)的均勻固體材料。文獻(xiàn)34給出了通過絕熱實驗測量單體電池發(fā)熱功率和等效比熱容的方法。根據(jù)文獻(xiàn)4中建立的電池?zé)崞胶庖话隳Ｐ鸵约半姵乇葻崛莸亩x，絕熱條件下有:四（4）1.3 幾種常見的車載動力蓄電池動力蓄電池是混合動力車輛的關(guān)鍵技術(shù)裝備之一，要求具有

12、高功率密度、高能量密度、高循環(huán)效率、良好的充電接受能力、低自放電率以及良好的一致性等。目前已有的幾種蓄電池包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及鋅空氣電池1,35。1.3.1 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池（Lead Acid）已有 100 多年的歷史，被廣泛用作內(nèi)燃機車的啟動動力源。它可靠性好，原材料易得，目前仍是應(yīng)用最廣泛的車用動力蓄電池，但主要用于啟動動力源。鉛酸蓄電池活性物質(zhì)在充電和放電時，發(fā)生可逆的化學(xué)變化過程，可以用以下化學(xué)方程式來表示：鉛酸蓄電池經(jīng)過灌裝電解液和充電后，就可以從蓄電池的接線柱上引出電流。由于鉛酸蓄電池中的 H2SO4濃度在放電過程中會逐漸減小，因此可以用比重計來測定H2S

13、O4的密度，再由鉛酸蓄電池的電解液密度確定其放電程度。單體鉛酸蓄電池的電壓為 2V，通常所使用的蓄電池組是由多個單體蓄電池串聯(lián)組成。在使用或存放一段時間后，單體電池的電壓可能降低到 1.8V 以下，或者 H2SO4溶液的密度下降到31.2 g /cm 時，鉛酸蓄電池就必須充電，如果電壓繼續(xù)下降，鉛酸蓄電池將會損壞。鉛酸蓄電池的特點是開路電壓高，放電電壓平穩(wěn)，充電效率高，能夠在常溫下正常工作，生產(chǎn)技術(shù)成熟，價格便宜，規(guī)格齊全。因此國內(nèi)外開發(fā)的稱之為第一代的電動汽車也廣泛使用了鉛酸電池。鉛酸蓄電池作為純電動汽車和混合動力汽車的電源，雖尚有許多不足，如存在產(chǎn)生新的環(huán)境污染等問題，但由于其價格低廉，工

14、藝成熟，特別是近年來密閉技術(shù)已日趨完善，所以鉛酸蓄電池在動力電源中仍占有一席之地。1.3.2 鎳氫電池鎳氫電池是一種堿性電池，它的比能量可達(dá) 80Wh/kg，比功率 160230W/kg，有利于提高混合動力車輛的動力性能和延長其續(xù)駛里程。鎳氫電池可快速充電，循環(huán)壽命達(dá)到 1000 次以上。鎳氫電池的正極是球狀氫氧化鎳（2Ni (O H )）粉末與添加劑鈷等金屬，用塑料和粘合劑等制成的涂膏涂在正極板上。鎳氫電池的負(fù)極是儲氫合金，要求儲氫合金能夠穩(wěn)定地經(jīng)受反復(fù)的儲氫和放氫的循環(huán)。鎳氫電池的電解質(zhì)是水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物。在充電過程中，水在電解質(zhì)溶液中分解為氫離子和氫氧離子，氫離子被負(fù)極吸

15、收，負(fù)極的金屬轉(zhuǎn)化為金屬氫化物。當(dāng)放電過程中，氫離子離開了負(fù)極，氫氧離子離開了正極，氫離子和氫氧離子在電解質(zhì)氫氧化鉀中結(jié)合成水并釋放電能。鎳氫電池的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：鎳氫電池用于純電動車輛及混合動力車輛上的主要優(yōu)點有：起動加速性能好，快速充電時間短，一次充電后的續(xù)駛里程較長，不會對周圍環(huán)境造成污染，易維護(hù)，且沒有記憶效應(yīng)。鎳氫電池在充電過程中容易發(fā)熱，在高溫狀態(tài)下，正極板的充電效率變差，并加速正極板的氧化，使電池的壽命縮短。負(fù)極儲氫合金加速氧化，并使儲氫合金平衡壓力增加，儲氫合金的儲氫量減少，降低鎳氫電池的性能。鎳氫電池在充電后期，會產(chǎn)生大量的氧氣，如果安全閥不能及時開啟，會有發(fā)生爆炸的危險

16、。1.3.3 鋰離子電池鋰離子電池的正極采用2LiMnO 等鋰的化合物制造，負(fù)極采用天然球狀石墨或片狀石墨、人造石墨和層狀石墨的鋰碳化合物（6LiC ）等制造。由于鋰的化學(xué)性能活潑，遇到水時會發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，所以必須采用非水性電解質(zhì)，通常用有機溶劑/無機鹽、無機溶劑/無機鹽、固體鋰離子導(dǎo)體或融熔鹽組成。在鋰離子電池中正極采用不同的材料時，其電化學(xué)氧化反應(yīng)會略有不同。以MnO2為例：鋰離子電池顯示出很多優(yōu)點，電壓高達(dá) 3.64V，比能量達(dá)到 100200Wh/kg，比功率高達(dá) 1500W/kg，循環(huán)壽命可達(dá) 1000 次以上。充電放電效率高，功率輸出密度大，沒有記憶效應(yīng)等。鋰離子電池的主要問

17、題是快速充、放電的性能較差，需要進(jìn)一步解決對其充放電過程的控制和配備專用的充電器。另外，鋰的制取比較困難，管理和使用較復(fù)雜，要求有嚴(yán)格的安全措施，需要配備電子保護(hù)電路、電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等，因此其附屬裝置更復(fù)雜，也增加了電池組的造價。1.3.4 鋅空氣電池鋅空氣電池以鋅為正極，以氧為負(fù)極，以氫氧化鉀為電解質(zhì)。鋅空氣電池的化學(xué)反應(yīng)與普通堿性電池類似，但需要特殊的催化劑。在化學(xué)反應(yīng)過程中，必須要與氧氣作用，只要阻隔空氣進(jìn)入鋅空氣電池，即可控制電池的化學(xué)反應(yīng)。因此鋅空氣電池的自放電率很低，可以長期保持活性。鋅空氣電池的化學(xué)反應(yīng)方程式為：鋅空氣電池的理論比能量可達(dá) 1350Wh/kg，但目前的鋅

18、空氣電池的實際比能量值約為 180230Wh/kg。采用鋅空氣電池后，能夠明顯地延長電動車輛的續(xù)駛里程。成組的鋅空氣電池具有良好的一致性，沒有像其他類型電池的充電和放電的不均勻現(xiàn)象。鋅空氣電池允許深度放電，其容量不受放電強度和溫度的影響；它能在-2080的溫度范圍內(nèi)正常工作，可以實現(xiàn)完全密封免維護(hù)。此外，鋅空氣電池在循環(huán)使用中，不會污染環(huán)境，生產(chǎn)成本也較低。但是，鋅空氣電池目前尚存在壽命短、比功率小，不能輸出大電流及難以充電等缺點。1.4.1 電池組熱管理的意義為確?；旌蟿恿ζ嚨碾姵亟M具有良好的工作性能，并延長其使用壽命，對電池組進(jìn)行有效的管理和控制就顯得尤為重要6。從國內(nèi)外對動力電池組管理

19、系統(tǒng)的研究來看，混合動力汽車電池組的管理系統(tǒng)主要包括以下四個方面7：（1）電池荷定狀態(tài)（SOC）的準(zhǔn)確估計；（2）電池組均衡控制策略；（3）電池組熱管理系統(tǒng)；（4）電池監(jiān)控診斷與過載保護(hù)。在傳統(tǒng)的燃油汽車上，電池組多用作發(fā)動機的起動及各類車載電子設(shè)備，其功率需求相對有限，所以對電池組熱管理的研究在之前并未引起重視。但是隨著各種限制車輛排放的法規(guī)的相繼頒布，以及用戶對車輛經(jīng)濟性需求的不斷提升，動力電池組已成為混合動力汽車行駛時的主要能源之一。由于電池內(nèi)阻的焦?fàn)栃?yīng)以及電池化學(xué)反應(yīng)生成的反應(yīng)熱，給電池組帶來了很大的熱負(fù)荷。如果不能在車輛行駛過程中及時地帶走上述熱量，勢必會影響電池的工作性能和使用壽

20、命，甚至可能給行車安全帶來了很大的隱患。以常見的 Ni/MH 電池為例，工作溫度和電流歷史是影響 Ni/MH 電池壽命的最主要的兩個因素8。Ni/MH 電池的最佳工作溫度范圍在 2040，但是當(dāng)溫度上升到 45時，其循環(huán)次數(shù)將減小近 60%；在高倍率充電時，每 5的溫升將使電池壽命減半。鋰離子電池也存在相似的問題，不僅如此，由于鋰離子電池的高能量密度以及電池中所包含的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，鋰離子電池存在電解質(zhì)燃燒和熱失控的危險，在最糟的情況下甚至可能發(fā)生爆炸。由于上述原因，每節(jié)鋰離子單體電池均需要諸如爆炸盤，阻燃電池套等額外的保護(hù)措施9。五（5）2. 電池?zé)峁芾黼姵氐臒峁芾硎请姵毓芾硐到y(tǒng)的重要組成部分

21、，其主要功能是通過風(fēng)扇等冷卻系統(tǒng)和熱電阻加熱裝置使電池溫度處于正常工作溫度范圍。電池管理的重點是通過分析傳感器顯示的溫度和電池組的關(guān)系，確定電池組外殼及電池模塊的合理擺放位置，使電池箱具有有效的熱平衡與迅速散熱功能，通過溫度傳感器測量自然溫度和箱內(nèi)電池溫度，確定電池箱體的阻尼通風(fēng)孔的大小，以盡可能降低功耗。在電池?zé)峁芾碓O(shè)計過程中面臨的主要問題有：（1）充放電時產(chǎn)生的反應(yīng)熱如何及時散出；（2）模塊內(nèi)部單體之間溫度如何達(dá)到均勻分布 ；（3） 在環(huán)境溫度較低情況下如何迅速將電池預(yù)熱到正常工作溫度范圍。電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，存在可逆和不可逆的反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，使電池發(fā)熱。電池溫度的急劇上升將導(dǎo)致

22、電池的性能下降而且降低電池的使用壽命。電池運行溫度和電池壽命以及電池性能之間的關(guān)系4如圖 1 所示。因此必須將電池運行溫度控制在一定的范圍內(nèi)。c) 電池?zé)峁芾砟壳耙呀?jīng)存在多種電池冷卻和升溫的方式，然而對于不同的電池包的結(jié)構(gòu)形體和合理的通風(fēng)散熱通道設(shè)計對電池散熱將帶來很大的影響，另外電池的封裝隔熱保護(hù)也很重要。除此之外將電池內(nèi)傳熱特性（電化學(xué)反應(yīng)與導(dǎo)熱特性）與外部散熱結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計分析將是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計的有效途徑。電池管理系統(tǒng)作為一個系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相互聯(lián)系的。對于混和動力汽車動力電池而言，其工作電流波動很大，而且充放電轉(zhuǎn)換相當(dāng)頻繁，如能通過輔助電容放電使電池既以近似恒流工作又能滿足車

23、載要求，通過改變電池工作溫度提高電池的充、放電性能，改變電池存放溫度、濕度降低電池自放電，所有這些都將有利于提高電池 SOC 估計的精度，從而進(jìn)一步完善混合動力汽車電池管理系統(tǒng)。六（6）1. 1 研究的對象利用CDF方法進(jìn)行熱環(huán)境的數(shù)值模擬時,必須建立數(shù)學(xué)模型。限于目前國內(nèi)外CFD計算的水平,還無法對完全真實的復(fù)雜形狀進(jìn)行數(shù)值模擬,因此,在保證反映環(huán)境真實流動特性的前提下,本文對某一電動汽車電池包的結(jié)構(gòu)作了局部簡化,并取其中一組作為研究對象并建立計算所用的數(shù)學(xué)物理模型,如圖1所示。1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值求解方法 利用GAMBIT軟件建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,為了盡可能真實的

24、模擬冷卻氣體在電池包內(nèi)的流動情況,在空間較大的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,在某些特殊區(qū)域采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,如在單體電池的側(cè)面留有的通風(fēng)冷卻通道處。在網(wǎng)格劃分時,考慮到單體電池側(cè)面之間的通道和底座上出口處屬于氣流速度比較大,所以把長方形通道和圓形出口分別拉伸出一個體來,單獨畫網(wǎng)格并加密。同時設(shè)置合理的邊界節(jié)點數(shù),使加密網(wǎng)格與其他流場處網(wǎng)格保持良好的連接,保證計算時的精度。對于空氣來說,當(dāng)風(fēng)速小于三分之一聲速時,可以認(rèn)為是不可壓縮氣體,因此,汽車電池包的冷卻流場一般為定常、不可壓縮三維流場。考慮到由于復(fù)雜形狀引起的分離,應(yīng)按湍流處理。應(yīng)用有限差分法對控制方程進(jìn)行離散,利用SIMPLES算法解離散控制方程

25、。1.4 邊界條件的設(shè)定 由于數(shù)值模擬是在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的,需要給出定解條件,即初始條件和邊界條件。它是控制方程有確定解的前提。本文研究對象有一個冷卻氣體進(jìn)口,通過安裝的鼓風(fēng)機來實現(xiàn)。入口邊界條件為速度:V =5m /s,溫度:27C;出口邊界條件為壓力:101325Pa。冷卻氣體為空氣,在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,攝氏27C時的密度Q=1.177kg /m3,動力粘性系數(shù)L=1.847*10-5kg/ms,運動粘度v =1.568*10-5m2/s。七（7）1.2.1 電池組高溫放電冷卻控制策略當(dāng)BMS檢測到單體最高溫度大于 35 或溫差大于 6 時，熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇開啟；當(dāng)單體最高溫度小于 30 或溫

26、差小于 3 時，冷卻風(fēng)扇關(guān)閉。1.2.2 電池組低溫放電加熱控制策略當(dāng)電池箱體最低溫度T 5 時，加熱電阻絲通電，熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇開啟；當(dāng)電池箱體最低溫度T 10 時，加熱電阻絲斷電。如果兩箱體溫差 T 3 ，熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇依然開啟，否則熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇停止工作。熱管理系統(tǒng)接到BMS信號，電阻絲開始加熱，后座椅電池前端進(jìn)風(fēng)口風(fēng)扇和行李廂電池出風(fēng)口大功率風(fēng)機同時工作，將加熱電阻絲發(fā)出的熱量在兩電池箱體內(nèi)部流通進(jìn)行熱交換，完成對低溫電池組的加熱過程。2.1 仿真分析邊界條件空氣采用不可壓縮粘性流體模型，粘滯阻力與 20 空氣相當(dāng)，空氣密度為1.184 15 kg/m3,湍流模型采用k f - 湍流模型

27、，空氣流態(tài)屬于紊流，入口邊界采用壓力入口，壓力為 0 Pa，采用負(fù)速度出口，出口風(fēng)速為10m/s。采用STAR_CCM+對電池內(nèi)部流場進(jìn)行分析。八（8）2 熱管理系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題基于熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用以及開發(fā)的重要性，國內(nèi)外很多專家學(xué)者都發(fā)表了文獻(xiàn)論述熱管理系統(tǒng)的設(shè)計方法。美國國家可再生能源實驗室(NREL)的A. Pesaran6等介紹的電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計的過程比較系統(tǒng)，最具有代表性，其設(shè)計過程包括7個步驟：(1)確定熱管理系統(tǒng)的目標(biāo)和要求通過系統(tǒng)的合理設(shè)計，保障電池組在運行中，其整體溫度處于適宜的范圍以及各電池單體溫度的一致性。(2)測量或估計模塊生熱及熱容量借助于熱量計的熱流傳感器

28、，可以測量電池與熱量計之間的熱交換，進(jìn)而得到電池模塊的生熱量Q。已知電池模塊的質(zhì)量m和電池運行前后溫差（Tm- Tc），可以用下列方程計算出電池的熱容量Cp：(3)熱管理系統(tǒng)首輪評估通過選定符合要求的傳熱介質(zhì)，設(shè)計合理的散熱結(jié)構(gòu)等措施，研究影響電池?zé)嵝?yīng)的各項因素，對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，使其效果達(dá)到熱管理的目的和要求。(4)模擬單體模塊和電池組的熱行為建立電池?zé)崮Ｐ褪茄芯侩姵責(zé)嵝袨榈挠行Х椒?，美國加州大學(xué)的Yufei Chen7等用三維模型計算了鋰聚合物電池內(nèi)部溫度場，其模型如下：式中：T是溫度；是平均密度；Cp是電池比熱；kx、ky、kz分別是電池在x、y、z方向上的熱導(dǎo)率；q是單位體

29、積生熱速率。電池?zé)嵝袨榈哪M需獲得電池組的生熱速率，但準(zhǔn)確測量電池的生熱速率非常困難，通常用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。美國伯克利大學(xué)D. Bemardi7提出的Bemardi生熱速率使用最為廣泛。(5)初步設(shè)計熱管理系統(tǒng)根據(jù)動力電池的實際運行情況應(yīng)采取不同的熱管理系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮動力電池運行的不同環(huán)境和工況，選用適宜的導(dǎo)熱材料，合適的傳熱工質(zhì)，有效的加熱和冷卻方式，并且電池模塊在散熱系統(tǒng)中布置問題也是熱管理系統(tǒng)值得重視的。(6)設(shè)計熱管理系統(tǒng)并進(jìn)行實驗為了驗證所設(shè)計的熱管理系統(tǒng)有效性，需對其進(jìn)行相關(guān)的實驗。結(jié)合動力電池實際運行的情況，模擬在不同充放電倍率（0.5C，1C，2C等），不同環(huán)境溫度（冬季/

30、 夏季）以及不同散熱結(jié)構(gòu)布置的情況下，研究動力電池的熱效應(yīng)對電池壽命、容量以及能量效率等性能的影響。3 熱管理系統(tǒng)對于電池?zé)峁芾眍愋偷倪x擇可以按傳熱介質(zhì)進(jìn)行分類，一般分為：空冷，液冷以及相變材料冷卻三種方式。3.1 空冷系統(tǒng)不使用任何外部輔助能量直接利用車速形成的自然風(fēng)將電池的熱量帶走，該方法簡單易行，成本低。日本豐田公司的混合動力電動汽車Prius，本田公司的Insight 以及以豐田RAV-4電動汽車的電池包都采用了空冷的方式。目前空冷散熱通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種8：如圖1所示，冷空氣從左側(cè)吹人從右側(cè)吹出，空氣被電池依次加熱，越往右，空氣的溫度越高，冷卻效果越差。電池箱內(nèi)電池溫度從左到

31、右依次升高，導(dǎo)致電池模塊溫度分布的不一致性，影響電池的冷卻效果。如圖2所示，并行通風(fēng)方式使得空氣流在電池模塊間更均勻地分布。確保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一致性，從而保證了電池組溫度場分布的一致性。可以看出，空冷方式的主要優(yōu)點有：(1)結(jié)構(gòu)簡單，重量相對較??；(2)沒有發(fā)生液體泄漏的可能；(3)有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(fēng)；(4)成本較低。缺點在于空氣與電池表面之間換熱系數(shù)低，冷卻和加熱速度慢。3.2 液冷系統(tǒng)液冷系統(tǒng)是利用液體相對于空氣有著較高換熱系數(shù)，可將電池產(chǎn)生的熱量快速帶走，達(dá)到有效降低電池溫度的目的。液體冷卻主要分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。非直接接觸式液冷必須將套筒等換熱設(shè)施與

32、電池組進(jìn)行整合設(shè)計才能達(dá)到冷卻的效果，這在一定程度上降低了換熱效率，增加了熱管理系統(tǒng)設(shè)計和維護(hù)的復(fù)雜性。對于直接接觸式的液冷系統(tǒng)，通常采用不導(dǎo)電且換熱系數(shù)高的換熱工質(zhì)，常用的有礦物油、乙二醇等。對于非直接接觸式的液冷系統(tǒng)，可以采用水，防凍液等作為換熱工質(zhì)。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，新型傳熱介質(zhì)納米流體不僅在科研，而且在應(yīng)用上得到很大關(guān)注，納米流體即以一定的方式和比例將納米級金屬或非金屬氧化物粒子添加到流體中而形成的。研究表明9，在液體中添加納米粒子，可以顯著提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)，提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能。因此將納米流體應(yīng)用于電池?zé)峁芾砑夹g(shù)將會是將一個新的研究發(fā)展方向，值得引起廣泛的關(guān)注。九（9）1 動力電池組散熱模型的建立目前電動汽車用電池主要有鉛酸電池、鎳氫