动力电池设计规范 - 8
1.6 热管理系统设计1.6.1 热管理系统基本功能电池温度的准确测量和监控在电池温度较高时进行有效散热，使电池快速降温，使其工作在最佳温度范围内；在电池温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充电放电性能和安全性；减小电池组内的温度差异，抑制局部热区的形成，防止高温位置处电池过快衰减，降低电池组整体寿命。1.6.2 热管理系统设计要求热管理系统设计目标是根据整车典型的运行工况和锂离子电池的发热功率，选择合适的热管理方式，基于电池的温度特性合理设计热管理策略，保证电池包内各个电池都工作在合理温度范围内，同时尽量维持电池包内各个电池及电池模组之间的温度均匀性。热管理系统负责与车辆热管理系统进行热量交换，保持动力电池系统能处于适宜温度环境，以延长产品的使用寿命。1.6.3 热管理系统方案设计热管理系统方案设计主要是基于单体电池的温度控制目标要求，确认动力电池系统的冷却散热、加热、保温设计方案。1.6.3.1 自然冷却系统采用自然冷却散热方式是典型的以空气作为传热介质的被动散热方案，即直接让电池箱体内部的空气穿过电池模组，通过空气与电池、电池箱体等导热部件之间的对流换热实现对电池进行冷却的目的。自然冷却对流传热系数较小，一般约为5~25W/(m2•K)，主要通过优化导热路径与散热面积，提高对流换热效率。但自然冷却方案具有结构简单、零部件数量少、成本低等优点。电池PACK 发展初期，也具有较为广泛的应用。1.6.3.2 强制风冷系统强制风冷系统是通过运动产生的风将电池箱体内部电池的热量经过排风风扇带走，是一种主动散热方式，因而散热效率相比自然冷却更高，这种方式的对流传热系数约为50~100W/(m2·K)。强制风冷系统主要包括出入风口结构、风道、风扇和防尘装置等，通过优化进风口和进风口直径和位置、风道结构、冷却策略等提高换热效率。。1.6.3.3 液冷系统动力电池在高放电倍率、高充电倍率、较高的运行环境温度下工作时，单位时间内产热量大，空气介质换热量小，不能满足散热需求；需要换热能力更强的液体介质来进行冷却，通常以50%水和50%乙二醇的混合物作为传热介质，通过具有冷却液流道的薄壁液冷管道/液冷板将热量导出，实现冷却液与电池之间的换热，该种方式的换热系数可以达到500~1500W/(m2•K)。液冷系统主要包括液冷管路、液冷板、导热界面、支撑结构等，通过优化导热路径、液冷板流道、管接头型号、导热界面材料、冷却策略等提高换热效率。1.6.3.4 直冷系统直冷系统即制冷剂直接冷却系统，它利用的是制冷工质（如R134a）的相变制冷原理，在制冷工质流经冷板（蒸发器）时发生相变吸收热量，带走更多热量，可应对更大倍率的快充。直冷系统通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置等组成，通过优化冷凝器结构、蒸发器结构、导热路径、制冷工质类型、冷却策略等提高换热效率。1.6.4 加热系统方案设计由于汽车地域适用性较为广泛，在冬季寒冷地区要使电动车辆能正常使用，必须对电池加入额外的加热系统以满足要求。常见的加热方式有三种：电加热膜加热、陶瓷PTC 加热和液热。加热膜属于电阻加热方式，一般是将金属加热丝封装于绝缘层内，金属丝通电之后发热可对电池系统进行加热。PTC 加热器也是电阻加热的一种，不同的是它的电阻会自身温度的升高而增大，从而达到恒温加热的效果。液热则是通过整车PTC 加热部件将冷却液加热到一定温度，利用主动液冷系统来对电池系统加热的一种方式。加热方式的选择主要是根据电芯升温速率、空间限制、对安全性的要求和成本来确定的。电加热膜设计主要包括：加热膜安装位置选择、加热膜发热功率选择、加热回路内部的串并联方式及干烧温度控制要求等。如果不受安装空间限制，可以采用PTC 加热片，其设计主要包括：PTC 加热片装置位置、PTC 加热片发热功率、加热回路内部的串并联方式、干烧温度控制要求等。如果采用的是主动液冷系统，则可以集成液热，主要确定冷却液入口温度和流量。1.6.5 系统保温设计针对南方夏季高温天气，车辆在长时间高温热辐射作用下，热量会进入到电池箱内部，导致电池箱体内部温度过高。针对北方冬季严寒天气，车辆停放时间较长之后，电池箱体内部温度会快速下降，影响车辆的再次充电和启动或者在对动力电池系统进行加热过程中，由于电池箱散热速度太快，也会影响加热速度和效果。因此，需要通过保温设计减少外部夏季高温或者冬季低温环境对电池箱内部电池的影响。通常采用保温材料起到隔热的作用，减少外部环境因素的影响。保温系统通常是配合冷却系统和加热系统完成工作，优良的保温系统不仅可以增强冷却和加热的效率，而且还可以降低能耗。保温设计主要包括：保温材料选择、箱体保温材料的布置方案设计等。1.6.6 热管理策略设计热管理主要包括加热功能、制冷功能、均温功能、充电保温功能、故障处理机制等，热管理策略设计要点如下：温度点的修正：应根据选择的温度点温度、环境温度值、加热/制冷/静置工况，进行电池温度的修正；加热设计（放电/充电）：应根据电池温度及环境温度值，控制加热PTC、水泵等附件，实现对电池系统的加热；制冷设计（放电/充电）：应根据电池温度及环境温度值，控制水泵和压缩机系统（包括：风扇、电磁阀、压缩机等附件），实现对电池的制冷；均温设计（放电/充电）：应根据电池温度及环境温度，对水泵等进行控制；充电保温设计：应使用充电桩，对电池系统进行预热/预冷；确立故障处理机制。 1.7 热扩散防控设计1.7.1 热扩散防护设计1）电池在整车上布置应满足碰撞安全性能要求，尽量将电池布置在车辆正常碰撞可能侵入区域之外；2）电池设计应有合理并且可靠的热交换策略，选择适合的液冷技术、风冷技术、吸热相变材料技术等；在电芯发生热失控时，能够及时将该电芯散发出来的热量导出模块或系统。这些技术的选择应考虑到电池系统有一定机械形变，以及电气损伤后的可靠性；3) 电池设计应保留足够的电芯间距，避免触发热失控电芯相邻电芯温度的升高，降低因热传导导致的触发热失控的风险；4) 电路中应设有电流限制功能元件，当部分回路电流、电压、温度出现异常时，可快速、准确地切断回路电流；5) 电芯间应填充具有阻燃、降温、灭火以及隔氧等功能的材料；6) 电池应设置泄压阀或防爆阀，设置定向及定量释放策略；7) 电池应设置烟道，能够及时将电池失控引起的冒烟导出车外；8) 电池间应具有可承受定机械应力的结构，避免高温喷出物以及喷出物燃烧产生的火焰对周围电芯模块等产生影响。1.7.2 热失控报警策略1.7.2.1 针对触发热失控的常见因素，采取相应的报警和控制策略：1) 过充电。根据充电机和BMS 双重保障，检测电池总电压、单体电压、充电电流等。综合判断单体电池电压的变化趋势，采取充电请求电流值的变化，充电机停止工作，以及强制断开充电回路等措施，防止电池过充电。2) 过热。根据主回路中的功率器件和电池单体可正常工作的温度上限值与各自的检测值，结合不同温度下的输出特性或要求，以及温度变化速率，制定合理的报警值和报警策略。通过限功率和强制断电等措施来保证温度的不可控上升，防止因温度过高、热量集中导致的热失控。3) 内短路。通过BMS 控制电池过充电、低温充电等策略，防止锂枝晶的形成；通过BMS 检测电池内阻的变化率，单体电池电压和温度的特征曲线，结合使用工况综合判断内短路的发生，提前预判，防止发生热聚集，温度快速上升导致热失控。4) 除以上的检测外，也可在电池箱内增加相应的压力传感器、烟雾传感器、气体传感器以及机械应力传感器等，从其它角度来增加热失控的检测，综合考虑各个因素，制定合理的报警值和报警策略，提前预判热失控的发生和保护。1.7.2.2 根据《GB38031-2020 电动汽车用动力蓄电池安全要求》的规定，推荐的热失控触发判定条件触发对象产生电压降，且下降值超过初始电压的25%；监测点温度达到制造商规定的最高工作温度；监测点的温升速率dT/dt≥1 ℃/s，且持续3 s 以上。当1）和3）或者2）和3）情况发生时，判定发生热失控，如果采用推荐的方法作为热失控触发方法，且未发生热失控，为了确保热扩散不会导致车辆成员危险，需证明采用如上两种推荐方法均不会发生热失控。（未完待续）来源：小明来电
