动力电池系统热管理设计规范
1 范围
本设计规范规定了动力电池系统热管理开发的设计输入和输出、开发流程、基本参数要求、主要元器件的选型布置要求、主要参数的计算。
本标准适用于公司动力电池系统热管理设计开发和验证。
2 术语和定义
下列术语和定义适合于本标准。
2.1 比热容
单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量。
2.2 导热系数
在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1秒钟内（1S），通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度 （W/(m·K)。
2.3 充放电电倍率
充放电倍率=充放电电流/额定容量；例如：额定容量为100Ah的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。电池放电C率，1C,2C,0.2C是电池放电速率：表示放电快慢的一种量度。
2.4 TG0数据
粗略的三维数模。表明零件在整车位置上的基本外形和尺寸。数模包含有主要的特征、边缘和界面，以及中心线（线束和管状物），可用于零部件定点。
2.5 TG1数据
数模包含有所有零件界面、过渡面、紧固件孔和位置。可用于软模制造。
2.6 TG2数据
最终的三维数模。表明了在整车位置上的完整的零件设计意图。数模可用于正式模具和零件制造。
2.7 工程样车 FP/EP
根据工程设计发布的信息，采用相应工程样件、制造工艺制造出的满足设计要求的零件，在公司试制车间和/或总装厂装配出的样车。具体分类如下：
工程样车分类 | 零部件供货状态 | 试验目的 |
功能样车FP Car （Function Prototype Car） | 手工/简易工装 在试制车间完成 | 在项目早期（G7项目启动前）支持新能源汽车电驱动系统初始验证和标定工作。 |
工程样车EP1 (Engineering Prototype Car) | 手工/简易工装 在试制车间完成 | 为支持整车/系统方案进一步的设计和验证，包括整车布置、电气原理、电驱动系统匹配、电辅助系统及全车通信的联合验证。 |
工程样车EP2 (Engineering Prototype Car) | 架构件-硬模 非架构件-软模 在试制车间和总装车间完成 | 整车设计方案的全面优化，满足整车及零部件设计规范和整车产品技术条件要求，零件调试、公告法规验证，总装顺序验证等，生产线的早期工艺验证。 |
3 设计输入和输出
3.1设计输入
3.1.1电池系统开发计划，包括各阶段时间点、样车数量、技术路线。
3.1.2整车VTS所包含的基本性能需求，主要包括充放电使用环境温度范围、整车设计的验收工况以及各工况条件下需求的充放电功率、充电时间要求、整车可提供加热冷却功率，见附表A。
3.1.3整车与电池系统接口要求（液冷车型），主要包括液冷接口位置、接口标准。
3.1.4电池系统性能参数，主要包括串数、并数、电压、充放电功率矩阵表。
3.1.5电芯热物理参数，主要包括电芯密度、比热容、导热系数、发热功率以及电芯尺寸。
3.1.6电池系统结构数据，主要包括电池系统的三维模型、总成图、BOM表、材料清单。
3.2设计输出
3.2.1热管理系统技术要求。
3.2.2热管理系统设计方案。
3.2.3 1D仿真分析模型。
3.2.4 CFD仿真分析网格模型。
3.2.5热管理系统BOM及图纸。
3.2.6系统性能仿真分析报告。
3.2.7系统流场仿真分析报告。
3.2.8热管理系统方案验证报告。
3.2.9热管理系统开发总结报告。
4 设计流程
4.1 开发流程
4.2 开发阶段及输出文件
序号 | 开发阶段 | 主要工作 | 输出文件 | 备注 |
1 | 概念开发 | 1、整理热管理系统性能需求参数及电芯性能参数； 2、初步计算热管理系统基本参数； 3、根据TGO模型布置热管理概念方案。 | 《热管理系统技术要求》 《热管理系统概念方案》 《热管理系统概念方案评审报告》 | |
2 | FP阶段 | 1、根据概念方案完成FP热管理方案设计工作； 2、低温加热功能性热模拟分析； 3、高温大倍率充放电冷却功能性热模拟分析。 | 《FP热管理系统设计方案》 热管理系统BOM及图纸 《热管理系统DVP》 《加热功能性仿真分析报告》 《冷却功能性仿真分析报告》 《热管理系统方案评审报告》 | |
3 | EP阶段 | 1、功能性DV测试； 2、EP热管理方案设计； 3、低温加热功能性热模拟分析； 4、常温大倍率循环工况模拟分析； 5、常温热平衡循环工况模拟分析； 6、高温热平衡循环工况模拟分析； 7、工况DV测试。 | 《功能性DV测试报告》 《EP热管理系统设计方案》 《加热功能性仿真分析报告》 《常温大倍率循环工况仿真分析报告》 《常温热平衡循环工况仿真分析报告》 《高温热平衡循环工况仿真分析报告》 《热管理系统方案评审报告》 《热管理系统工况DV测试报告》 | 如果EP方案发生较大变动，需要对系统功能性重新分析。 |
4 | 小批量生产 | 试验问题解决完毕后，准备小批量生产的相关工作。 | 《热管理系统开发总结报告》 | |
5 热管理系统参数要求
序号 | 项目 | 参数 |
1 | 加热速率（-20℃） | ≮48K/h |
2 | 系统电芯温差 | ≯10K |
3 | 电芯最高温度限制 | ≯55℃ |
4 | 冷却效率 | ≮70% |
5 | 加热效率 | ≮70% |
6 主要元器件选型及布置
1.加热装置可以使用电阻丝、印制电路、PTC、WTC等形式；
2.冷却装置可以使用风机、蒸发器、水冷板等形式；
3.加热冷却装置布置位置要尽量保证热流方向与电芯高导热率方向一致；
4.加热冷却装置布置要尽量接触到电芯的大面面积；
5.加热冷却装置不能承载过大压力，严禁使用其作为支撑部件；
6.空间允许的须在加热冷却装置和电芯或模组之间增加高导热率材料，以保证导热均匀性和效率；
7.加热冷却装置须采用阻燃材料。
7 主要参数计算
7.1 加热功率
式中：
为加热功率，
为电芯比热容，
为温升速率，
为加热效率因数，
为电芯总质量。
式中：
为最低允许充电温度，
为最低使用环境温度，
为充电加热时间。
7.2 冷却功率
式中：
加热功率，
为电芯比热容，
为电芯发热功率，
为冷却效率因数，
为电芯总质量，
为系统运行时间，
为电芯允许温升。
7.3 混合壁面导热系数
式中：k为混合壁面导热系数，h1为高温侧热对流系数，
为实体导热系数，
为壁面厚度，h2为低温侧对流系数。
附 录 A
（规范性附录）
附表
表A.1 初始电芯性能参数表
| 项目 | 参数 |
电芯热物理参数 | 导热系数（W/m*K，X、Y、Z方向） | |
密度（kg/m³） | | |
比热容（J/kg*K） | | |
40℃电芯最大持续放电倍率发热功率（W） | | |
40℃电芯最大持续充电倍率发热功率（W） | | |
地面充电 | 最低允许充电温度（℃） | |
温差要求（K） | | |
车载充电 | 最低允许充电温度（℃） | |
温差要求（K） | | |
放电 | 最高允许放电温度（℃） | |
温差要求（K） | |
表A.2 整车性能需求表
| 项目 | 参数 |
地面充电 | 使用最高环境温度/℃ | |
使用最低环境温度/℃ | | |
充电加热时间（初始温度低于充电允许温度）/min | | |
充电冷却时间（初始温度高于充电允许温度）/min | | |
整车可提供最大加热功率/W | | |
整车可提供最大冷却功率/W | | |
持续充电电流/A | | |
车载充电 | 使用最高环境温度/℃ | |
使用最低环境温度/℃ | | |
充电加热时间（初始温度低于充电允许温度）/min | | |
充电冷却时间（初始温度高于充电允许温度）/min | | |
整车可提供最大加热功率/W | | |
整车可提供最大冷却功率/W | | |
持续充电电流/A | | |
放电 | 使用最高环境温度/℃ | |
使用最低环境温度/℃ | | |
30min最高车速放电电流/A | | |
NEDC工况放电时间—电流表（1s） | | |
整车可提供最大加热功率/W | | |
整车可提供最大冷却功率/W | |
表A.3 电芯性能参数表
项目 | 参数 | |
电芯热物理参数 | 导热系数（W/m*K，X、Y、Z方向） | |
密度（kg/m³） | ||
比热容矩阵表 | 见附表1 | |
电芯充放电发热功率矩阵表 | 见附表2、附表3 | |
地面充电 | 最大允许充电电流矩阵表 | 见附表4 |
温差要求矩阵表 | ||
车载充电 | 最大允许充电电流矩阵表 | 见附表4 |
温差要求矩阵表 | ||
放电 | 最大允许放电电流矩阵表 | 见附表5 |
温差要求矩阵表 |
| 附表1：比热容矩阵表 |
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| 测试样品名称： 样品类型： 质量（kg）： |
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| 温度（℃） | -20 | -10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
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| 比热容（J/kg*K） |
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| 比热容平均值（J/kg*K） |
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| 附表2：电芯放电发热功率矩阵表（W） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 测试样品名称： 样品类型： 质量（kg）： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 放电 倍率 | 温度/℃ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| -25 | -22.5 | -20 | -17.5 | -15 | -12.5 | …… | 60 | ||||||||||||||||||||||||||||
| Imin1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0.1C | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0.33C | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0.5C | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0.66C | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.0C | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Imax1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Imin1是最小允许放电电流；Imax1是最大允许放电电流。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 附表3：电芯充电发热功率矩阵表（W） | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 测试样品名称： 样品类型： 质量（kg）： | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 充电 倍率 | 温度/℃ | | | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| -20 | -17.5 | -15 | -12.5 | …… | 55 | | | ||||||||||||||||||||||||||||
| Imin2 | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0.1C | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0.33C | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0.5C | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0.66C | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.0C | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Imax2 | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Imin2是最小允许充电电流；Imax2是最大允许充电电流。 | | | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 附表4 最大允许充电电流与温差要求矩阵表 |
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| -20℃ | -5℃ | 15℃ | 25℃ | 45℃ | 55℃ |
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| 地面充电 | 充电电流/A |
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| 最大温差/K |
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| 车载充电 | 充电电流/A |
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| 最大温差/K |
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附表5 50%SOC时最大允许放电电流与温差要求矩阵表 |
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-25℃ | -20℃ | -10℃ | 0℃ | 10℃ | 20℃ | 40℃ | 50℃ | 60℃ |
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放电电流/A |
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最大温差/K |
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附表6 效率因素表
冷却效率因数 | 风冷比表面积 | <1.5 | 0.3 |
<2 | 0.4 | ||
<2.5 | 0.5 | ||
<3 | 0.55 | ||
<3.5 | 0.6 | ||
液冷接触比面积 | <0.5 | 0.6 | |
<0.75 | 0.65 | ||
<1 | 0.7 | ||
<1.25 | 0.75 | ||
<1.5 | 0.8 | ||
加热效率因数 | 液体加热接触比面积 | <0.5 | 0.6 |
<0.75 | 0.65 | ||
<1 | 0.7 | ||
<1.25 | 0.75 | ||
<1.5 | 0.8 | ||
加热片接触比表面积 | <0.5 | 0.6 | |
<0.75 | 0.65 | ||
<1 | 0.7 | ||
<1.25 | 0.75 | ||
<1.5 | 0.8 | ||
比表面积=表面积或接触面积/重量（dm²/kg） | |||
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