動力電池?zé)峁芾砼嘤?xùn)技巧

新能源汽車動力電池?zé)峁芾砼嘤?xùn)Page

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內(nèi)部電阻生熱導(dǎo)致的電芯溫度升高

在高充放電電流下，電芯內(nèi)部的歐姆熱使電芯溫度迅速上升。如無合適的冷卻，電芯很快就會達(dá)

到不安全溫度，導(dǎo)致電芯過熱。

電池包必須有合適的熱管理系統(tǒng)才能正常工作。

MGL-8Ah鋰離子電池，15C

放電率

Panasonic-6.5Ah鎳氫電池,

15C

放電率電池包熱管理的重要性（1）Page

3電池包熱管理的重要性（2）

電池包內(nèi)任一個電芯的溫度都不應(yīng)超過許可的最高工作溫度

電芯的最高溫度超過60C時就潛在發(fā)生因過熱導(dǎo)致的的電芯安全性問題。

雖然電芯過熱的后果是可能導(dǎo)致整個電池包燒毀，但把電池包內(nèi)的電芯溫度控制在60C以下屬于

接近常溫的傳熱問題，在傳熱學(xué)上和散熱設(shè)計(jì)上都算不上是一個很大的挑戰(zhàn)。電池包傳熱設(shè)計(jì)中

真正有挑戰(zhàn)的問題是：

準(zhǔn)確地估計(jì)電芯的散熱量；

合理地選擇冷卻方式及設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)；

使電池包內(nèi)所有電芯間的最大溫差及每個電芯的最大溫差都不大于5C。

Safe

SafePage

4電池包熱管理的重要性（3）

電芯溫度對電池包安全性和性能的影響

20

45

C是鋰電池電芯的理想工作溫度區(qū)間。這個接近環(huán)境溫度的溫度范圍聽起來不是什么挑戰(zhàn)，

但實(shí)際上越接近環(huán)境溫度，冷卻設(shè)計(jì)就越不容易：電芯溫度和環(huán)境的溫差越小，冷卻系統(tǒng)向環(huán)境

傳熱的驅(qū)動力就越??；當(dāng)環(huán)境溫度等于或高于電芯工作溫度時，就必須借助制冷系統(tǒng)冷卻電池。

一個電池包可以有近百個或幾百個電芯，所以控制這些電芯溫度的均勻性不是一件易事：

最熱的電芯決定了整個電池包的安全；

最冷的電芯決定了整個電池包的性能；

一個電芯內(nèi)和電池包內(nèi)電芯間的最大溫差決定了整個電池包的壽命。

電池包熱管理是通用在開發(fā)Volt時的最大挑戰(zhàn)。電池包的造價和安全性問題，及電池包熱管理所需

的電池和傳熱學(xué)知識，是做電池包冷卻的工程師市場價值高的客觀原因。Page

5鋰離子電池的內(nèi)阻（1）

電芯的內(nèi)部電阻

鋰離子電芯內(nèi)部的電阻由三部分構(gòu)成：歐姆電阻，極化電阻，和濃度電阻。

歐姆電阻是電子電流的導(dǎo)電阻力，而極化電阻和濃度電阻是離子電流的導(dǎo)電阻力。

內(nèi)部電阻的溫度和SOC或DOD

（=

1

–

SOC）的關(guān)系主要反映了電池結(jié)構(gòu)及電解質(zhì)的特性：

溫度越低，放電深度越大，電芯內(nèi)阻就越大。Page

6鋰離子電池的內(nèi)阻（2）

10秒高脈沖功率下的直流電阻

鋰離子電芯內(nèi)阻可以有兩種方法評估：

1kH的交流脈沖電流作用下的電抗；

由HPPC型譜下直流脈沖電流測得的直流電阻，電流脈沖時間可選擇1秒，5秒或10秒。

保守起見，應(yīng)采用10秒直流電阻計(jì)算熱量，它綜合考慮了電子電流和離子電流的電阻。Page

7電池包使用過程中熱量的生成（1）

電池包使用過程中電芯的生熱量

電池包生熱可按下式計(jì)算

Q

=

I2

Ri

n

I

=

是按移動時間窗口

t

計(jì)算的每個電芯的平均電流

Ri

=

電芯內(nèi)阻

n

=

電池包內(nèi)電芯的數(shù)目

I2t電流的概念

電芯溫度對熱量的跟隨性取決于電芯的熱容量。熱容量越大，電芯的溫度反應(yīng)就越慢，電芯

的熱過載能力就越強(qiáng)。電池包的冷卻設(shè)計(jì)不應(yīng)以瞬態(tài)電流計(jì)算，這會導(dǎo)致過設(shè)計(jì)。電池包冷

卻應(yīng)采用I2t電流計(jì)算熱量。根據(jù)電芯負(fù)荷的不同，移動時間窗口

t

可以是30s，60s

或

120s。

為準(zhǔn)確反映動態(tài)特性，負(fù)荷越大，時間窗口就應(yīng)越小。Page

8電池包使用過程中熱量的生成（2）

I2t電流的計(jì)算

電池包使用時的電流隨驅(qū)動條件及能量管理要求而變化，瞬態(tài)電流值可達(dá)200A或更高。但瞬態(tài)高

電流的持續(xù)時間極短，所以不能建立電芯溫度和瞬態(tài)電流的關(guān)系，也就無法根據(jù)瞬態(tài)電流去設(shè)計(jì)

電芯的散熱。這就是我們通常所說的系統(tǒng)對溫度反映的時間常數(shù)問題。

實(shí)際電芯散熱是根據(jù)選定的移動窗口通過I2t電流進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)的。下式給出I2t電流和平均電流的

計(jì)算公式：Page

10電芯、模組和電池包在電池包冷卻系統(tǒng)中的功能

電芯、模組和電池包在電池包熱管理中的作用電芯：定義了電池包生熱，但不能決定電芯溫度因無法定義散熱邊界，是被控制環(huán)節(jié)。

電化學(xué)發(fā)生在電芯內(nèi)部，因而電池包驅(qū)動電流和生熱的關(guān)系定義在電芯環(huán)節(jié)。

電芯生熱、儲熱，及向冷卻介質(zhì)的散熱這三者的關(guān)系決定了電芯的工作溫度。模組：定義了電芯和冷卻介質(zhì)的關(guān)系，是冷卻設(shè)計(jì)也是控制電芯溫度及其均勻性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

電芯生熱通過模組定義的冷卻邊界散給冷卻介質(zhì)，模組是電芯散熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電池包：是各模組冷卻子系統(tǒng)的集成環(huán)節(jié)，也定義了冷卻介質(zhì)把電池散熱傳到電池包外的方式。

熱管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對冷卻介質(zhì)的溫度及流量控制實(shí)現(xiàn)對電池包內(nèi)電芯的熱管理。

決定了冷卻介質(zhì)在電池包內(nèi)的分布，也決定了冷卻介質(zhì)是如何把所吸收的電芯熱量傳到電池

包以外的散熱單元并通過其散給環(huán)境，確定了冷卻系統(tǒng)的特性。但并不一定直接針對環(huán)境。Page

11電池包冷卻方式的選擇

（1）

直接和間接冷卻系統(tǒng)

直接冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)在模組內(nèi)直接和電芯接觸，間接冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)通過熱傳導(dǎo)單元把

熱量傳到模組外，冷卻介質(zhì)和熱傳導(dǎo)單元直接接觸并把熱量帶走。

空冷直接冷卻系統(tǒng)水冷直接冷卻系統(tǒng)

空冷間接冷卻系統(tǒng)水冷間接冷卻系統(tǒng)Page

12電池包冷卻方式的選擇

（2）

直接空冷和直接水冷的區(qū)別

在電池冷卻系統(tǒng)中，電芯是熱源，環(huán)境是熱匯。最高的溫度是電芯，最低的溫度是環(huán)境的空氣。

根據(jù)冷卻介質(zhì)和環(huán)境的關(guān)系，可定義如下：環(huán)境空氣是一次冷卻介質(zhì)，冷卻水是二次冷卻介質(zhì)。

二次冷卻介質(zhì)處于自身的封閉系統(tǒng)中，不和環(huán)境空氣直接接觸，必須通過散熱器向環(huán)境散熱。

直接空冷的優(yōu)點(diǎn)是可以從駕駛艙取空調(diào)過的空氣，避開環(huán)境溫度約束；同時，不需專門設(shè)計(jì)電池

包排氣。缺點(diǎn)是由于空氣熱容量小，傳熱系數(shù)小，進(jìn)出口空氣溫差大，不利于控制電池包內(nèi)電芯

間的最大溫差。

直接水冷的優(yōu)點(diǎn)是可以利用水的高熱容量及高傳熱系數(shù)有效地控制電池包內(nèi)電芯間的熱均勻性。

缺點(diǎn)是每個電芯都要有自己的冷卻水路，水冷設(shè)計(jì)困難；同時，由于冷卻水是二次冷卻介質(zhì)，需

通過散熱器把冷卻水吸收的熱量散給環(huán)境，而散熱器的散熱能力受冷卻水和環(huán)境溫度之差限制；

由于增加了水泵，散熱器及冷卻風(fēng)扇，系統(tǒng)造價高，耗能大。但直接水冷系統(tǒng)不容易導(dǎo)致熱失控。Page

13Print

Date:

7/19/2016Revise

Date:

20167-20電池包冷卻方式的選擇

（3）

間接空冷和間接水冷的區(qū)別

間接冷卻僅能用于矩形硬包電芯和軟包電芯，不能用于圓柱形電芯。目前應(yīng)用圓柱形電芯的上市

產(chǎn)品大多采用直接空冷。軟包電芯的間接冷卻需通過導(dǎo)熱板把熱量傳導(dǎo)到電芯外部，冷卻介質(zhì)僅

對導(dǎo)熱板進(jìn)行冷卻。硬包電芯的間接水冷還可以采用電芯直接和冷卻板接觸的方式冷卻。

間接空冷系統(tǒng)仍然可以從駕駛艙取空調(diào)過的空氣，避開環(huán)境溫度約束，也不需專門設(shè)計(jì)電池包排

氣。電芯內(nèi)的溫差由導(dǎo)熱板決定。其缺點(diǎn)仍然是由于空氣熱容量小，模組進(jìn)出口空氣溫差大。傳

熱系數(shù)小的問題可以通過強(qiáng)化傳熱技術(shù)改善。另一個缺點(diǎn)是由于風(fēng)道的原因電池包布置不太緊湊。

軟包和硬包電芯都可以用間接水冷冷卻，可以從不同側(cè)面采用多個冷卻板冷卻。間接水冷的優(yōu)點(diǎn)

是溫度均勻性好。由于間接冷卻，水路簡單。但缺點(diǎn)是冷卻水是二次冷卻介質(zhì)，需通過散熱器把

冷卻水吸收的熱量散給環(huán)境，而散熱器的散熱能力受冷卻水溫度和環(huán)境溫度之差限制；由于增加

了水泵，散熱器風(fēng)扇，系統(tǒng)造價高，耗能大。間接水冷系統(tǒng)很難保證電芯和冷卻板的良好接觸，

極易產(chǎn)生接觸熱阻，使傳熱惡化。電池包內(nèi)電芯越多，冷卻板越大，這個問題就越嚴(yán)重。Page

14電池包冷卻方式的選擇

（4）

間接空冷和間接水冷系統(tǒng)的附加傳熱熱阻

間接冷卻時如采用高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁導(dǎo)熱板，電芯內(nèi)部溫差由鋁導(dǎo)熱板控制，均勻性較好。如無導(dǎo)

熱板時，電芯內(nèi)部溫差由電芯自身的導(dǎo)熱特性決定。

無論是否使用導(dǎo)熱板，間接冷卻都增加了傳熱環(huán)節(jié)，即增加了電芯和冷卻介質(zhì)間的溫差。采用水

冷時，冷卻能力受環(huán)境溫度影響較大。

對間接水冷系統(tǒng)，當(dāng)不采用導(dǎo)熱板時，對電芯的幾何尺寸控制要求較高，也不應(yīng)該在熱膨脹較大

的電芯側(cè)面布置冷卻板，以免電芯因受到擠壓而損壞。Page

15電池包冷卻方式的選擇（5）

間接空冷模組的電芯傳熱途徑分析

由于電芯的內(nèi)部溫度是無法測量的，所以，無論風(fēng)冷還是水冷，在間接冷卻時一定要對電芯的傳

熱途徑有清楚的了解才能合理地設(shè)計(jì)電池包的冷卻系統(tǒng)。

Cells

Thermal

pad

Cooling

finModule

frame

Heat

conductionHeat

conduction

Heat

convectionAir

flowPage

16電池包冷卻方式的選擇

（6）

高溫環(huán)境下的電池冷卻系統(tǒng)

在電池