某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证.pdf

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1、 140 汽车工程学报 第 1 卷 某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证夏顺礼，秦李伟，赵久志，王亚斌，张宝鑫(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 新能源汽车院，安徽，合肥 230601)摘 要：有效的电池组热管理(BTM)是纯电动汽车(EV)与混合动力汽车(HEV)在所有气候条件下工作必不可少的，也是动力电池良好循环寿命和安全工作的保障。本文详细介绍了某电动车型电池组热管理系统软硬件的基本功能和控制策略，通过 CFD 仿真分析了该体系内部的流场分布。同时，通过对该车型进行低温充电加热试验，结果表明，有效地改善了动力电池组低温充电温度环境，保证了动力电池的安全性和循环寿命。关键词：电动汽车；

2、热管理；充电中图分类号：U469.72+2文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.009 Design Analysis and Validation of Battery Thermal Management for Certain Pure Electric VehiclesXia Shunli，Qin Liwei，Zhao Jiuzhi，Wang Yabin，Zhang Baoxin(New energy vehicle academy，Technical Center，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd，

3、Hefei，Anhui 230601，China)Abstract：The eff ective battery thermal management(BTM)is indispensable for the electric vehicle(EV)and the hybrid electric vehicle(HEV)when they are working in all types of climate.Moreover，it is important for the better cycle life and security of the battery.The essential

4、function and control strategy of software and hardware for BTM in an EV have been introduced in this paper.The internal fl uid fi eld distribution has been simulated and analyzed by using CFD.After the charging and heating experiment at low temperatures for the EV with BTM，the results show that the

5、low temperature charging environment has been optimized eff ectively and the cycle life and security of the battery have also been improved.Key words：electric vehicle；battery thermal management；charging收稿日期：20110511 第 1 卷 第 2 期2011 年 5 月汽车工程学报Chinese Journal of Automotive EngineeringVol.1 No.2May.20

6、11随着能源和环境问题的日益严峻，作为环保节能型汽车出现的电动汽车，无疑是汽车行业中一座重要里程碑。电动汽车由于在能量效率和减低排放方面具有比传统车辆更好的优势，因而得到世界范围内的普遍重视1-2。但这些车辆的性能和品质在很大程度上依赖其所配置的电池组的性能，特别是电池的可靠性、循环寿命和安全性等。事实上，电池作为储能装置，它在充放电时会产生电化学反应热和焦耳热，而热量会和其它因素(电池种类、电池运行工况、冷却方式3-4和电池排列方式等)共同影响电池温度的变化。而在电动汽车中，动力电池均是成组使用的，温度的变化势必会使电池之间存在一定的温度差异，这种温度差异主要影响电池组的整体寿命和 第 2

7、期 夏顺礼等：某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证 141 稳定性。由于高温可以加速电解液、电极和隔板的老化速率，当电池组中温差较大时，高温部分的老化速率会明显快于低温部分。随着时间的积累不同电池之间的物性差异将越加明显，从而破坏了电池组的一致性，造成单体电池之间的性能不匹配，最终使整组电池提前失效，直接影响到电动汽车的性能。同时，对于锂离子电池而言，温度低于0 是不允许充电的，因为低温（0)充电会引发锂离子还原成金属锂枝晶反应，这种锂金属枝晶锐角锋利，易刺穿电池内部隔膜，引发电池内短路，存在安全隐患5。因此，动力电池热管理系统的优化设计是电池组良好运行的保证，否则，它将很大程度上制约动力

8、电池的发展和推广应用。1 某纯电动车型热管理系统介绍 1.1 热管理系统硬件布局该热管理系统包括电动轿车的车架、电池箱和电池控制箱、电池进风口、风管、电池控制箱出风口和风机。车架前部为乘员舱，后部为行李厢。电池箱为方箱，位于车架的乘员舱后部，且与行李厢相邻。电池箱前端开孔与乘员舱相连形成电池进风口，电池控制箱整体呈T形，位于行李厢内，电池控制箱内装有电池组和控制硬件，其 T 形尾部中间位置设有电池控制箱的出风口。用风机将电池控制箱出风口与类似内燃机车行李厢的出风口相连接，电池箱的线束接插口与电池控制箱相邻，电池箱尾部与电池控制箱 T 形顶部两端各自开孔并用风管将其连接贯通，使电池箱和电池控制箱

9、内部形成气流通道。通过电池箱进风口进风，电池控制箱出风口尾部风机抽风。风机的开启或关闭由电池控制箱内部软硬件控制，使乘员舱内来自空调系统的冷风或者热风流过电池箱和电池控制箱，最后经电池控制箱出风口尾部风机抽风流向车身外部。具体布局如图 1 所示。1.2 热管理系统控制策略整个电池组热管理系统控制由电池管理系统（BMS）完成，电池箱和电池控制箱内部温度传感器布局如图 2 所示。加热电阻丝图 1 电池热管理系统布局1进风口；2电池箱；3连接管；4电池控制箱；5行李厢出风口管；6行李厢底板；7风机；8出风口；9线束接插口；10电池箱底板；11车身底板123456783911011图 2 电池箱和电池

10、控制箱内部温度传感器布局1.2.1 电池组高温放电冷却控制策略当 BMS 检测到单体最高温度大于 35 或温差大于 6 时，热管理系统风扇开启；当单体最高温度小于 30 或温差小于 3 时，冷却风扇关闭。1.2.2 电池组低温放电加热控制策略当电池箱体最低温度 T 5 时，加热电阻丝通电，热管理系统风扇开启；当电池箱体最低温度T 10 时，加热电阻丝断电。如果两箱体温差 T 3，热管理系统风扇依然开启，否则热管理系统风扇停止工作。热管理系统接到BMS 信号，电阻丝开始加热，后座椅电池前端进风口风扇和行李厢电池出风口大功率风机同时工作，将加热电阻丝发出的热量在两电池箱体内部流通进行热交换，完成对

11、低温电池组的加热过程。1.2.3 电池组低温充电加热控制策略BMS 检测到充电唤醒信号进入充电模式，若电池单体最低温度大于 0，进入正常充电模式，142 汽车工程学报 第 1 卷 否则进入充电预加热模式。（1）充电预加热模式：BMS 进入充电预加热模式后，控制充电器输出功率，用于一定功率的加热器，预加热时间为 1 h。a.当加热 1 h 后，电池单体最低温度高于5，BMS 进入正常充电模式；b.当加热 1 h 后，电池单体最低温度小于等于 5，BMS 进入充电加热模式。（2）充电加热模式：BMS进入充电加热模式后，控制充电器正常输出功率工作，边加热（加热器消耗3 A左右）边涓流充电（电池充电电

12、流为3 A左右）保证电池安全，然后通过CAN总线开启车载充电器。a.当加热到电池单体最低温度高于 5 时，关闭加热系统，BMS 进入正常充电模式；b.当在充电加热模式中检测到电池被充满电，BMS 通过 CAN 总线关闭车载充电器，停止充电。（3）正常充电模式：BMS 进入正常充电模式后，控制充电器正常输出功率，然后通过 CAN 总 图 3 电池箱压力分布/Pa 图 4 电池控制箱压力分布/Pa图 5 尾部管道压力分布/Pa图 6 电池热管理系统表面压力分布/Pa线开启车载充电器。a.当在充电过程中检测到电池单体最低温度小于等于 0 时，首先通过 CAN 总线关闭车载充电器，然后 BMS 进入充

13、电加热模式；b.当检测到电池被充满电时，BMS 通过 CAN总线关闭车载充电器，停止加热和充电。2 CFD 仿真分析2.1 仿真分析边界条件空气采用不可压缩粘性流体模型，粘滞阻力与 20 空气相当，空气密度为 1.184 15 kg/m3,湍流模型采用kf-湍流模型，空气流态属于紊流，入口边界采用压力入口，压力为 0 Pa，采用负速度出口，出口风速为 10 m/s。采用 STAR_CCM+对电池内部流场进行分析。2.2 仿真分析结果2.2.1 压力分析结果通过图 3 图 6 可看出：电池间缝隙有差异，第 2 期 夏顺礼等：某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证 143 不利于空气的顺畅流通。

14、通过表1可看出：压力主要集中在电池箱部分，其中电池箱的压降为 228 Pa，占总压力的 59%，电池控制箱的压降为 116 Pa，占总压降的 30%。后期应适当更改电池控制箱内部风道设计，使两箱体压降比例相当，使两箱体电池温度均匀。2.2.2 速度分析结果通过速度图 7 和图 8（b）可看出：电池箱电池上表面与电池箱体速度流动不均匀，右侧速度偏低；电池间间隙空气流动速度变化较大，在进出口处速度较大；不同电池间隙速度变化较大，侧边流速较高，这是因为电池控制箱结构不对称热管理系统总压降电池箱压降连接管道压降电池控制箱压降尾部管道压降384 Pa228 Pa26 Pa116 Pa14 Pa表 1 各

15、部件压降值表图 7 电池控制箱Y=0（a），Y=192（b），Y=375（c）截面速度图/(ms-1)（a）（b）（c）图8 电池箱（a）和电池控制箱（b）Y截面位置示意图/(ms-1)图 9 电池箱Y=384（a），Y=242（b），Y=107（c）和Y=35（d）截面速度图/(ms-1)（a）（a）（b）（b）（c）（d）导致速度流动不均匀。通过图 8（a）和图 9 可看出：电池箱内部流动不均匀，电池各个间隙流速不均衡，侧边流速较高，平均风速在 6 m/s 左右，而中间流速较低，平均风速不到 2 m/s；电池间隙流动有明显的边界层流动。3 低温充电加热试验验证 3.1 试验方法将装有该热管

16、理系统的动力电池组装配在电动车上，置于-10 的环境舱中 12 h 后（模拟当地冬天最冷气温环境），记录动力电池箱体内部各温度分布情况。按正常充电方法给电动轿车充电，观察 BMS 监测软件的适时情况和电池的工作模式，每隔一定时间（5 12 min 左右)记录动力电池箱体内部温度分布情况。电池热管理系统低温充电加热控制策略见 1.2.3 部分。3.2 试验数据记录3.2.1 充电预加热模式Y=284Y=242Y=107Y=35Y=0Y=192Y=3750.00001.40002.80004.20005.60007.00000.00001.40002.80004.20005.60007.00000

17、.00001.40002.80004.20005.60007.00000.00000.00000.00001.44441.70142.88883.40284.33325.10425.77756.80577.22198.50711.40002.80004.20005.60007.0000 144 汽车工程学报 第 1 卷 电池箱温度分布电池控制箱温度分布空调是否开启温差温差23:00-3-3-4-4-52-4-4-4-4-51否23:05-2-2-3-3-42-3-3-3-3-41否23:10-10-10-11-2-2-1-1-21否23:15001111-2-1-1113否23:2012232

18、2-100324否23:30233442-111445否23:40344563022545否23:50445573022656否23:55445684122655否00:005556105123655否温升 T8891015/5671010/温度时间表 2 充电预加热模式电池温度分布 电池箱温度分布电池控制箱温度分布空调是否开启温差温差00:005556105123665否00:146566116133766否00:276667126134877否00:376667126234876否00:476777137245886否00:587778136245987否01:08777813634599

19、6否01:3078881473561096否01:53788915845610106否02:10898915745710106否02:4089101015746711117否03:0089101015756711116否03:10810101015756712127否03:20911101016767812126否03:30911101116767812126否温升 T46556/55566/否温度时间表 3 充电加热模式电池温度分布 电池箱温度分布电池控制箱温度分布空调是否开启温差温差03:414689117567883否03:50245675445662否04:00133554434441

20、否04:06033455334441否温度时间表 4 正常模式电池温度分布3.2.2 充电加热模式3.2.3 正常充电模式 第 2 期 夏顺礼等：某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证 145 3.3 试验结论从表 2 和表 3 可知，充电预加热模式启动时间满 1 h，BMS 检测到电池单体最低温度低于5，进入边充电边加热模式（充电加热模式）输出电流-3.5 A。从表3和表4可知，当充电加热模式持续2.5 h后，BMS 检测到电池单体最低温度高于 5，进入正常充电模式，输出电流-6 A。从表 4 和表 5 可知，当正常充电模式持续0.5 h 后，BMS 检测到电池单体最低温度小于等于0，再次

21、进入边充电边加热模式（充电加热模式），输出电流-3.5 A；随着充电继续进行，充电过程在正常充电模式和加热充电模式之间来回切换，直到电池充满电。从表 2 表 5 可知，整个加热试验过程中，位于电池箱和电池控制箱的左侧（见、和温度点）温升较快，位于电池箱和电池控制箱的右侧（、和温度点）温升较慢，这是因为两箱体左侧电池模块与箱体壳体距离窄，两箱体右侧电池模块与箱体壳体距离宽（车身与两箱体结构匹配导致其结构不对称），需要重新设计车身使两箱体结构对称，使两箱体内部温升一致。试验证明，整个充电过程均保证动力电池在0 以上进行充电，其中 0 5 电池以 0.07 C倍率充电，5 以上电池以 0.13 倍率

22、充电，有效保证了厂家规定的电池充电使用环境和充电安全性。4 结论某电动车型采用该电池组热管理系统，经过CFD 仿真分析得知，压力降主要集中在电池箱，电池箱内电池间隙流动速度差异较大，电池间间 电池箱温度分布电池控制箱温度分布空调是否开启温差温差04:08353563334552否04:12575794345674否04:166768115455884否04:207878125456995否04:328881013546710106否04:378991014646710106否04:478991014656710105否04:558991014656711116否05:0089910157567

23、11116否05:108991115756811116否05:208991115757811116否05:308991115757811116否05:4289101115757811116否06:03910101116757812116否06:05910101116767812115否温升 T657610/34476/否温度时间表 5 正常充电模式切换到充电加热模式后电池温度分布3.2.4 正常充电模式与充电加热模式切换 146 汽车工程学报 第 1 卷 付正阳，林成涛，陈全世.电动汽车电池组热管理系统的关键技术J.公路交通科技，2005，22（3）：120-123.Fu Zhengyang，

24、Lin Chengtao，Chen Quanshi.Key Technologies of Thermal Management System for EV Battery Packs J.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2005，22（3）：120-123.（in Chinese）JAURA A K，GRABOWSKI A，JIH E.Effi cient Cooling and Package of Traction Battery in Hybrid Electric Vehicle C.Pro

25、ceedings of EVS-18，2001.梁昌杰，陈方元，秦大同.混合动力汽车热管理系统流场和温度场 CFD 分析 C./2010 年机械工程学会论文集，2010，105-110.Liang Changjie，Chen Fangyuan，Qin Datong.CFD Analysis on Flow Field and Temperature Field and Heat Management System in HEVC./2010 Machine Engineering Congress Proceedings，China Machine Process，2010，105-110.（

26、in Chinese）陈磊涛，许思传，常国峰.混合动力汽车动力电池热管理系统流场特性研究J.汽车工程，2009，31（3）：224-227.Chen Leitao，Xu Sichuan，Chang Guofeng.Flow Field Research on Battery Thermal Management in HEVJ.Automotive Engineering，2009，31（3）：224-227.（in Chinese）吴凯，张耀，曾毓群，等.锂离子电池安全性能研究J.化学进展，2011，23(2/3)：401-408.Wu Kai，Zhang Yao，Zeng Yuqun，et

27、 al.Safety Performance of Lithium-ion BatteryJ.Progress in Chemistry，2011，23(2/3)：401-408.（in Chinese）1 4 5 2 3 参考文献(References):作者介绍责任作者：夏顺礼（1972-），男，安徽合肥人。高级工程师，硕士，主要从事新能源汽车技术研究。Tel：0551-2259181Email：通讯作者：秦李伟（1983-），男，安徽安庆人。硕士，主要从事电动汽车电池系统设计研究。Tel：0551-2259097Email：隙长度相对于宽度较长，电池控制箱内电池间流动有明显的边界层流动；后期设计应增大速度偏小的电池间隙，减小侧边流动间隙；优化电池组内部风道结构，保证电池箱和电池控制箱电池温度分布均匀；通过低温充电加热试验验证，有效改善了动力电池低温充电环境（充电温度高于0），使其充电在 0 以上环境进行慢充，提高了电池使用过程的安全性和循环寿命。