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电动汽车动力系统热管理和热仿真知识概要

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电动汽车动力系统热管理和热仿真
----知识体系概要
 
Thermal Management and Thermal Simulation for Advanced Electric Vehicle
 
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目录
电动汽车动力系统热管理和热仿真... 1
一、需求分析... 3
1.1 热管理知识体系及方案... 3
1.2 热仿真分析体系... 3
1.3 电动汽车热管理全景图... 3 
二、动力电池系统热管理... 4
2.1 概述... 4
2.2 动力电池热管理系统功能及目标设置... 4
2.2.1 功能... 4
2.2.2 热管理目标... 5
2.3 动力电池热管理技术概述... 5
2.3.1 动力电池结构及热特性参数... 5
2.3.2 热管理系统的硬件构成... 8
2.3.3 热管理策略(控制系统)... 13
2.4 热管理系统仿真的知识体系... 15
2.4.1 材料及器件属性... 15
2.4.2 热管理系统类型... 15
2.4.3 边界条件及工作模式... 16
2.4.4 热管理系统调节作用的影响... 16
2.5 热分析工具及硬件配置... 16
2.5.1 软件工具... 16
2.5.2 计算机硬件配置... 17
2.6 热管理系统方案设计... 17

三、电机和驱动器热管理... 19
3.1 电机热管理简介... 19
3.2 电机热仿真分析... 20
3.2.1 驱动电机电磁损耗分析... 21
3.2.2 冷却系统参数确定及参数敏感性分析... 21
3.3.3 不同载荷工况下的热分析及验证... 21
3.4 功率器件热分析... 22

四、讨论... 23
 
一、需求分析 1.1 热管理知识体系及方案

  • 关于电机和动力电池的热管理仿真,需要的资料、参数等。
  • 提供设计方案。

1.2 热仿真分析体系
构建热管理仿真体系,针对研发人员能力、软硬件资源,需要哪些要求、标准。提供具体仿真分析方案。
1.3 电动汽车热管理全景图
电动汽车热管理包括电池包热管理系统、电机热管理系统和功率器件(逆变器/驱动器)热管理系统,如下图所示。

电动汽车热管理系统
采用何种热管理系统方案,主要取决于采用电池包的类型、数量及其热特性、电池包在整车中的布局,安全性考虑,软件控制策略等等。
以下将针对电动汽车热管理系统涉及的三个方面作简单介绍,以期构建出电动汽车动力系统热管理涉及的知识系统,并简要说明热仿真所能扮演的角色。
二、动力电池系统热管理
2.1 概述
动力电池作为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。目前应用较为广泛的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池和锂电池。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。
不同电池主要参数对比


 
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。
2.2 动力电池热管理系统功能及目标设置
2.2.1 功能
电池组热管理系统有如下五项主要功能:

  1. 电池温度的准确测量和监控
  2. 电池组温度过高时,热量的有效排散
  3. 低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作
  4. 有害气体产生时的有效通风
  5. 保证电池组温度场的均匀分布

2.2.2 热管理目标
热管理目标(Thermal Management Targets)保证实现电动汽车能安全稳定运行的设计指标,是热管理系统设计的纲领性文件,起指导作用。
热管理目标的设置既有热管理系统自身的专项技术指标,也有整车设计中其他各项内容综合考量(如与其余分系统的协调,系统的操作便捷性、安全性、成本控制等)对热管理系统提出的要求。
热管理目标的设置需要考虑以下几个方面:

  • 保证在不同使用工况下,电池包在安全运行温度范围之内
  • 可靠性要求(碰撞、外部火烧、涉水、极端高低温等场景)
  • 电池包整体温度均匀性指标
  • 使用性能要求(如大充电功率下电池包的快速充电性能,高低温环境中的长续航时间)
  • 温控的响应时间指标(快速冷却或快速加热)
  • 热管理系统的能效指标(流体冷却回路流量及压降参数)
  • 智能化控制要求
  • 系统成本考虑(经济性)
  • 维护便捷性

2.3 动力电池热管理技术概述
2.3.1 动力电池结构及热特性参数
动力电池自身的结构形式和热特性参数,共同确定了热分析模型中的热源特征。动力电池也是热分析中最重要的分析对象。因此,要实现动力电池包的高效热管理,需要对其结构特征和不同工况下的热特性参数进行细致分析。
2.3.1.1 单体电池结构及热特性参数
先从单体电池的结构和热特性参数入手。目前单体电池的常见结构有圆柱形和块状(片状)两种。这两种电池结构在电动汽车的电池包中均有应用,如特斯拉和戴姆勒电动汽车采用的是圆柱形的锂离子电池,而尼桑和通用汽车等采用的是块状(片状)锂离子电池。通过对两种不同结构形式的电池进行巧妙的热控硬件设计,均可实现高效可靠的热管理。


左:单体锂离子电池   右:方块形锂离子电池内部热源的结构形式


圆柱形锂离子电池的结构示意图
单体动力电池的产热行为较为复杂,既与电池本身的电化学特性有关,又与电池结构形式,以及充放电条件、外界环境温度等多因素相关。
锂离子电池在充放电期间排散热量受开路电压与工作电压的差异、焓值、热容变化的影响, 动力电池系统的热产来源主要有以下几个方面:

  1. 反应热Qr
  2. 电池极化引起的能量损失Qp
  3. 电池内电解液分解和自放电副反应引起的能力损失Qs
  4. 电池电阻产生的焦耳热Qj

因此,电池总发热量Qa可用下式表示:
Qa=Qr+Qp+Qj+Qs
因而,要获得电池包精确的热仿真结果,进行定量分析,就需要向厂商索取不同工况下的热特性,明确热源的产热机理。这是电池热管理的最重要的环节之一。
2.3.1.2 电池包结构
动力电池包由大量单体电池构成,其结构形式由单体电池结构及使用数量,电气连接方式,冷却方式,整车结构布局等多种因素相关。动力电池包的结构设计涵盖电、热/流、机等多个方面,需要进行一体化设计。在确定初步方案后,还需进行多次迭代计算,相互协调,以满足整体空间分配、热控需求、电气特性等多方面要求后,确定最终设计方案。
由于动力电池包的热控分系统伴生于电池包结构中,要对热管理系统进行热/流仿真分析,前提就是必须获得详细的结构信息及与之配套的热控硬件设计方案。下图是几种典型电动汽车的动力电池包结构形式,热管理硬件与结构设计完美融于一体。
  

几种典型车型的动力电池包结构
 在电池包结构设计期间,热设计人员应全程参与,以便实现热管理功能与结构功能的高度耦合。同样,在热仿真分析中需要提供电池包结构的详细三维模型,各部件材料物性参数等。
2.3.2 热管理系统的硬件构成
2.3.2.1 冷却系统
电池工作的温度环境要满足特定的要求,如磷酸铁锂电池的一般环境温度为-20℃~60℃。电池在充放电过程中会不断地产生热量,如不及时排散这些热量,电池内部温度很容易过热,甚至出现热失控。因此,电池包的冷却系统必不可少。
根据冷却介质的不同,冷却系统可分为空气冷却(风冷)、液体风冷和相变液冷。这三种冷却方式的散热能力是依次增强,冷却系统的复杂度也依次增加。现阶段,相变冷却成本比较高,目前工程技术上常采用空气冷却和液体冷却两种方式。

(1)风冷模式
主要是强制冷风流经电池表面进行换热冷却。这种方案受外界环境影响比较大,特别是高温天气下,还需要从乘员舱引入冷风。气体的密度很小,体积热容较小,需要较大的流量才能实现高效换热,整体换热效率比较低;另外,因入口风温比较难控制,故电池温度也比较难控制。这种冷却方式的优点在于系统成本很低,技术成熟度也较高,在某些电池模组用量较少的混合动力车型中仍有采用。
 



(2)液冷模式
冷媒(液冷的介质)可采用纯水、50%乙二醇水溶液、纯乙二醇、空调制冷剂工质等等。液冷模式的系统结构如下图所示。一般会增加一个换热器与制冷循环耦合起来,通过制冷剂将电池的热量带走。
整个系统主要包括:泵,换热器,电池散热板,PTC加热器、膨胀水箱。电池需要冷却时,电池通过散热板与冷却液进行换热,加热后的冷却液被电子水泵送入换热器内,在换热器内部一侧通入制冷剂,一侧通入冷却液,两者在换热器内充分换热,热量被制冷剂带走,冷水流出换热器在流入电池,形成循环。电池需要加热时,关闭制冷回路,开启PTC加热器,冷却液被加热后送入电池内部,通过散热板加热电池。可以通过控制制冷回路通断以及控制PTC加热功率,来控制冷却热的温度,从而控制电池内部温度。此种方案系统比较复杂,成本较高。

 
    液冷模式的热管理系统原理

(3)空冷/水冷混合冷却系统
空冷/水冷混合冷却系统原理如下图所示 。空冷/水冷混合冷却系统中有两个关键零部件:一个是水冷的电池冷却器,另一个是空冷的电池散热器。空冷/水冷混合冷却系统具有系统紧凑、性能好且低温环境下经济节能等优点,但此系统复杂、成本高、控制复杂且可靠性要求高。
 
风冷、水冷混合系统冷却原理图
风冷、水冷混合系统冷却原理图

冷却系统还可根据能量提供的来源,分为主动冷却和被动冷却。通常被动冷却系统直接将电池内部的热空气排出车体,而主动冷却系统通常具有内循环系统,并根据电池系统的温度进行主动调节,以达到最佳热控效果。被动冷却形式具有结构简单、零部件数量少、成本低等优点,被广泛用于电池冷却系统设计中。
根据锂离子电池产热原理,传热冷却方式,及风冷散热和液冷散热方案性能比较,一般而言,液冷散热效果要好于风冷,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。但对于小型、短程、使用环境较为友善的电动汽车,其热管理强度相对较小,仍有风冷使用的场合。针对特定的车型,仍需要具体分析,以确定最合适的热管理方式。
2.3.2.2 加热系统
加热系统是为了满足在低温环境下能够使电池能正常充电。由于汽地域适用性较为广泛,在寒冷地区要使电动汽车能正常使用,必须电池加入额外的加热系统以满足要求。
加热系统主要由加热元件和电路组成,其中加热元件为核心部件。常见的加热元件有正温度系数(PTC, Positive Temperature Coefficient)加热元件和恒定电阻加热元件,后者通常由金属加热丝/箔组成的加热膜,譬如硅胶加热膜、聚酰亚胺挠性电加热膜等。PTC加热元件由于使用安全、热转换效率高、升温迅速、无明火、自动恒温等特点而被广泛使用。
2.3.2.3 隔热保温系统
保温系统更多的情况下是为了满足短期内电池系统内部温度热环境在正常区间内。保温系统设计通常采用保温材料或者保温漆等,起到隔绝的作用,防止电池系统内部温度过快的散发。在寒冷地区一般从两个方面出发进行设计,分别是电芯加热和箱体保温方案,电芯加热方案就是采用加热器加热电池本身。


箱体隔热的意义在于:

  1. 保持系统内部温度,有利于低温充放电,延长使用寿命;
  2. 保持系统内部温度,降低高温路面热辐射对系统内部温度的影响;
  3. 外部出现高温(如燃烧)时,保证电池包内正常温度,延缓电池热失控导致爆炸,提高安全性。

从目前电池系统的发展趋势来看,采用液冷系统越来多,因此箱体隔热设计越发重要。常用的保温材料有绒毛毡(0.05 W/m·K)、聚氨酯泡棉(0.03 W/m·K)、二氧化硅气凝胶(0.02 W/m·K)等。气凝胶隔热效果最好,但成本较高,现阶段仍不适合大规模应用。另外,在对箱体铺设泡棉或气凝胶隔热材料时,不可避免地需要拼接,工艺实施性不佳。而聚氨酯可直接在箱体内发泡成型,严密贴合,实现最佳的隔热效果。下图显示的是一种采用聚氨酯发泡成型的电池舱。
 
聚氨酯发泡成型的电池舱
2.3.2.4 均热(温)系统
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。温度均匀性对动力电池的性能至关重要。当电池温差为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%。
为了保证各个电池的使用过程中温度均匀性,在采用主动散热和被动散热时通常需要在电池包内部设置流道或者风道,实现电池包的温度均匀性。目前的方式存在两个缺点:1、电池包安装复杂,结构制造难度较大,成本高;2、需要较大的泵功率。
均热系统还可以利用热管,高导热材料等手段实现。
目前在对电动汽车动力电池的热管理中,应用热管作为均热的应用研究还不多,真正投入实际应用的几乎还没有,但包括特斯拉在内的电动汽车巨头已经申请了采用热管的电池包热管理系统。可使用的热管主要包括回路型重力热管,脉动热管、烧结热管和平板环路热管。
我们提出一套均温方案,针对块状(片状)电池包可实现温度均匀度在±1.5℃以内。该方案可用于电池包的均温处理,具有结构简单,成本低廉等一系列优点。
2.3.2.5 结构布局
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条件的均衡一致。
如下图所示,不同车型中的动力电池包采用安装方式和空间布局也各不相同,可以为前置,后置,侧置,还有较为流行的T型布局等。根据电池包安装布局方式的不同,其热管理的方法和方式也应作相应调整。
不同类型电动汽车系统布局图
不同类型电动汽车系统布局图

下图为一种电池包偏后置的布局方式,电池包的液冷冷却回路与车头位置的风冷换热器相连。由于是后置,用于连接的管道较长,沿程阻力损失较大,对泵的功率要求会偏高。电池包的布局对热管理系统的影响,从此例中可窥一斑。
 

2.3.3 热管理策略(控制系统)
热管理控制策略的功能是对电池包内个电池模块温度的监控,并自动根据相应算法对热管理系统中冷媒的流速/流量,压力,风扇转速等目标进行调节,实现高效、快速、可靠的热管理任务。同时,用尽量精简的控制手段,最少的能量损耗实现控制任务,达到节能环保的目的。
下图为特斯拉某型电动汽车的电池包热管理系统,其系统采用模糊智能逻辑实现了电池包高效的温度管理和能量管理。
 
特斯拉电动汽车的电池包热管理系统
特斯拉某型电动汽车的电池包热管理系统
 
热管理控制策略中的参数设置应与相应的热控硬件能提供的能力相匹配。相关参数的设置,可以通过热流仿真分析来确定。根据热流仿真分析结果,提取关键的热管理参数,为热管理软件控制系统提供参考。
同样,对于已经设计完毕的热管理硬件系统,仍然可以根据热流分析来优化流速,压力、风扇转速等参数,以最经济的配置实现热管理目标。
值得注意的是,目前大多数商用软件在设置控制策略方面的功能(如根据设置的目标温度,利用PID算法自主调节冷却介质的流量)较弱。在这一方面,在航天领域应用广泛的NX Thermal/Flow拥有较强的控制算法设置功能。
 
2.4 热管理系统仿真的知识体系
2.4.1 材料及器件属性

  • 热管理系统中各种材料在工作温区的各项基本物理属性,尤其是热物理属性,主要包括:密度、热导率(导热系数)、比热容、相变特性(相变温度范围、相变潜热等)。涉及的材料/器件主要包括:
  • 热管理硬件系统的结构件
  • 均温/冷壁材料
  • 隔热保温材料
  • 冷媒(冷却介质,如空气、水,其他工质)
  • 电池热特性
  • 充、放电热特性
  • 不同驱动功率下的热特性
  • 不同负载条件下的热特性

2.4.2 热管理系统类型

  • 冷却方式选择
  • 主动冷却或被动冷却
  • 风冷、液冷或风冷/液冷复合
  • 电池组结构布局
    • 前置
    • 后置
    • 侧置
    • T型布局
    • 其他

2.4.3 边界条件及工作模式
电动汽车在不同工作模式(高温工况、低温工况、极端热流密度工况)的热边界条件各不相同。
 
电动汽车的热边界条件
 
2.4.4 热管理系统调节作用的影响

  • 控制策略功能及分类
  • 温度调节算法

2.5 热分析工具及硬件配置
2.5.1 软件工具
2.5.1.1 系统级热管理系统分析
系统级热仿真分析软件主要用于模拟热管理系统的性能分析,对各个环节的性能配置进行优化设计。系统级热分析软件主要有:

  • MotorSolver /FlowMaster
  • MATLAB/SIMULINK



某型电动汽车热管理系统的一维热仿真模型
2.5.1.2 三维热流分析
CFD软件或具有CFD功能模块的软件平台。

  • Star CCM+:是一款通用的CFD商业软件,特别之处在于拥有蓄电池分析模块。该软件现已经被Siemens公司收购,将集成于NX平台。
  • Fluent:集成于ANSYS平台,也是一款通用的CFD商业软件,流场分析功能强大,对于复杂系统前处理工作非常耗费时间。
  • Comsol:多物理场分析软件巨头,拥有电池从电化学反应到热/流分析等一系列功能模块。
  • FloEFD:工程流体分析软件,流场分析具有一阶精度。该软件使用方便,可解决大多数的工程热流分析问题。
  • Flotherm与Icepak:均为电子设备热分析专业软件,拥有完善的电子设备热分析相关的工程数据库,适于电子设备(器件)的热分析。
  • NX Thermal/Flow (Advanced):为航天领域最常用的软件模块,在满足常规热流分析问题的基础上,具有恒温控制程序和复杂的热流边界条件自定义的功能,可用于热管理系统的优化设计。

2.5.2 计算机硬件配置
根据资金宽裕程度,计算机配置越高,越早获得求解结果。
2.6 热管理系统方案设计
高效的热管理方案设计,需要建立在系统的功能需求的详尽、透彻分析的基础上。综合考虑电池产品特征、各项技术难度、工艺可实施性、造价等。
现有的电池包热管理系统既有少量的强迫风冷散热方式,更多的是采用液冷。各大汽车厂商均申请了电动汽车动力电池热管理方面的专利。现已公布的动力电池热管理方案比较典型的有特斯拉、通用汽车、宝马,均采用直接膨胀式冷却基板的原理,但在结构形式上各不相同。
以下展示的特斯拉和通用汽车公司申请的电池热管理专利(群)。其余厂商也有相应的热管理专利,在此不作详细阐述。
 


 
不可避免地,热管理方案的设计要植根于具体的电池形式(圆形或方块,使用数量,组装方式),安装结构的整体设计,热管理方式的选择,工艺可实施性和费用等因素。在确定了上述若干主要因素后,可展开迭代设计。
在为新型电动汽车的动力电池设计热管理系统时,可以借鉴原理,理解其热管理方案设计的核心思想和关键技术指标,然后进行合理优化改进,以避免侵犯他人专利权,而掉入专利陷阱。
目前,我们已有一套结构简单、实用性较强的热管理硬件系统方案,可配合新能源汽车厂商进行推广应用。

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