新能源動力電池?zé)峁芾矸桨冈O(shè)計和熱流體仿真
動力電池作為新能源汽車的主要動力源，其對新能源汽車的重要性不言而喻。在實際的車輛使用過程中，電池會的面臨的使用工況復(fù)雜多變。
在低溫下，鋰離子電池會出現(xiàn)內(nèi)阻增大、容量變小的現(xiàn)象，極端情況更會導(dǎo)致電解液凍結(jié)、電池?zé)o法放電等情況，電池系統(tǒng)低溫性能受到很大影響，造成電動汽車動力輸出性能衰減和續(xù)駛里程減少。在低溫工況下對新能源車輛進(jìn)行充電時，一般BMS先將電池加熱到適宜的溫度再進(jìn)行充電的操作。如果處理不當(dāng)，會導(dǎo)致瞬間的電壓過充，造成內(nèi)部短路，進(jìn)一步有可能會發(fā)生冒煙、起火甚至爆炸的情況。
在高溫下，如充電器控制失效,可能會引發(fā)電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量的熱,若熱量來不及散失而在電池內(nèi)部迅速積聚,電池可能會出現(xiàn)漏液、放氣、冒煙等現(xiàn)象，嚴(yán)重時電池發(fā)生 劇烈燃燒且發(fā)生爆炸。
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) (Battery Thermal Management System, BTMS)是電池管理系統(tǒng)的主要功能，電池的熱管理主要包括冷卻、加熱以及溫度均衡等功能。冷卻和加熱功能，主要是針對外部環(huán)境溫度對電池可能造成的影響來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。溫度均衡則是用來減小電池組內(nèi)部的溫度差異，防止某一部分電池過熱造成的快速衰減。通過導(dǎo)熱介質(zhì)、測控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使動力電池工作在合適的溫度范圍之內(nèi)，以維持其最佳的使用狀態(tài)，用以保證電池系統(tǒng)的性能和壽命。
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
熱管理系統(tǒng)的“V”模型開發(fā)模式
熱管理系統(tǒng)作為動力電池系統(tǒng)的一個零部件，它的開發(fā)過程同樣遵循汽車行業(yè)V"模型開發(fā)模式，借助仿真工具以及通過大量的測試驗證，只有這樣才能提升開發(fā)效率，節(jié)省開發(fā)陳本以及保障系統(tǒng)可靠性、安全性和使用壽命。
如下是熱管理系統(tǒng)開發(fā)的“V”模型，總體來看該模型由一橫一縱兩個軸組成：橫軸又由四條正向開發(fā)主線和一條逆向驗證主線組成，并以正向開發(fā)為主，兼顧逆向的閉環(huán)驗證；縱軸由零部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)三個層級組成。
熱管理系統(tǒng)開發(fā)的“V”模型
電池的溫度直接影響了電池的安全性，因此電池的熱管理系統(tǒng)設(shè)計研究是電池系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)鍵的工作之一。必須嚴(yán)格按照電池的熱管理設(shè)計流程、電池的熱管理系統(tǒng)及零部件類型、熱管理系統(tǒng)的零部件選型及熱管理系統(tǒng)的性能評估等多個方面來進(jìn)行電池系統(tǒng)熱管理的設(shè)計和驗證，才能保證電池的性能和安全性。
1）熱管理系統(tǒng)要求，根據(jù)整車的使用環(huán)境、整車的運(yùn)行工況和電池單體的溫度窗口等設(shè)計輸入?yún)?shù)進(jìn)行需求分析，以明確電池系統(tǒng)對熱管理系統(tǒng)的需求；系統(tǒng)要求，根據(jù)需求分析確定熱管理系統(tǒng)所具備的功能以及系統(tǒng)的設(shè)計目這些設(shè)計目標(biāo)主要包括對電池單體溫度、電池單體間溫差、系統(tǒng)能耗和成本的控制
2) 熱管理系統(tǒng)框架，根據(jù)系統(tǒng)需求將系統(tǒng)拆分為冷卻子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)、保溫子系統(tǒng)和熱失控阻隔( thermal runaway obstructin，TRo)子系統(tǒng)，并定義各子系統(tǒng)的設(shè)計需求，同時進(jìn)行仿真分析以初步驗證系統(tǒng)設(shè)計
3)子系統(tǒng)設(shè)計，首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計確定每個子系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，然后對每個子系統(tǒng)依次進(jìn)行方式選擇、方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和仿真分析驗證
4)零部件設(shè)計，首先根據(jù)子系統(tǒng)設(shè)計確定零部件的設(shè)計目標(biāo)，然后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和仿真分析
5)零部件制造與測試，進(jìn)行零部件的生產(chǎn)制造，并進(jìn)行測試驗證
6)子系統(tǒng)集成與驗證，進(jìn)行子系統(tǒng)的集成與測試驗證；
7)系統(tǒng)集成與測試，進(jìn)行系統(tǒng)的集成與測試驗證；
電池?zé)峁芾黹_發(fā)流程
如下是電池?zé)峁芾碓陂_發(fā)時的簡單的一個流程，共7個步驟，包括熱管理設(shè)計目標(biāo)和要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、仿真模型驗證，系統(tǒng)和整車測試驗證。
l 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要要求如下：
1) 避免熱失控，有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)
2) 高溫環(huán)境中有效散熱
3) 低溫環(huán)境中迅速加速或者保溫
4) 減小電池溫度差異，保證電池溫度均勻性
5) 電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控
l 動力鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)有兩個：
1) 電池包內(nèi)部維持在合理溫度范圍內(nèi)；
2) 不同電芯溫差盡可能小。
l 電池生熱率
在動力電池的仿真過程，電芯不同工況的發(fā)熱量是仿真的必不可少的邊界條件。那么如何確定電芯在不同工況下的發(fā)熱量，目前行業(yè)內(nèi)主要通過如下3種方法：
1) ARC測試，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具備測試條件。但測試準(zhǔn)確度對比熱容測試的結(jié)果準(zhǔn)確度依賴性很大，且標(biāo)準(zhǔn)塊的測試誤差達(dá)到5%。因絕熱環(huán)境電池溫升較大，測試數(shù)據(jù)會偏低。
2) Bernardi理論計算數(shù)據(jù)相對較準(zhǔn)確，已比較成熟，但需要實測的數(shù)據(jù)較多，包括工況數(shù)據(jù)，OCV數(shù)據(jù)，DE/DT數(shù)據(jù)，測試周期較長。
I：電流值，充電為正，放電為負(fù)；
U：電池端電壓；
E：電池開路電壓；
dE/dT：熵值系數(shù)
3) RC模型計算，但若可以建立準(zhǔn)確的RC模型，就可以實現(xiàn)各種工況的產(chǎn)熱模擬，如下是二階等效電路模型：用內(nèi)阻表示歐姆極化，RC電路表征濃差極化和電化學(xué)極化的綜合效果。
l 冷卻方式選擇
熱管理系統(tǒng)的概念設(shè)計，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計中，需要根據(jù)實際情況選擇合適的冷卻方式，
l 冷卻結(jié)構(gòu)：
對與液冷系統(tǒng)來說，液冷板工作的原理是:電池工作產(chǎn)生的多余熱量,通過與板型鋁質(zhì)器件表面接觸的方式傳遞,液冷系統(tǒng)利用液體流動換熱系數(shù)較大的特性,依靠液體流動轉(zhuǎn)移高熱量,最終被器件內(nèi)部流道中通過的冷卻液帶走。那么它的尺寸設(shè)計、流量設(shè)計、冷卻面積設(shè)計這里就不在細(xì)說。為了保證系統(tǒng)溫度一致性，冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計利用仿真工具和試驗不斷的優(yōu)化，可以從下面幾個方面進(jìn)行優(yōu)化：
a) 優(yōu)化集流管
b) 調(diào)整冷板的寬度
c) 調(diào)整冷板的內(nèi)部流通截
d) 調(diào)整主管道的管徑
e) 調(diào)整支路管道的管徑
l 液冷工質(zhì)
l 作為液冷系統(tǒng)的工作介質(zhì)，對于動力電池系統(tǒng)，它的液冷工質(zhì)是十分重要的，在選擇液冷工質(zhì)時，需要從傳熱能力、黏度、使用溫度范圍、電絕緣性、腐蝕性、可燃性、毒性和費(fèi)用等方面綜合考慮。
電池?zé)峁芾矸桨冈O(shè)計
電池包的熱管理方案，涉及到三個方面的措施：電池組的冷卻、電池組低溫預(yù)熱、電池組保溫。
l 電池組的冷卻設(shè)計
電池組冷卻的形式根據(jù)傳熱路徑主要有兩種，直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻，是冷卻介質(zhì)直接從電芯表面流過，帶走多余熱量；間接冷卻，是冷卻介質(zhì)在管道和散熱器的流道中流過，散熱器與電芯接觸，將電芯熱量傳遞給冷卻介質(zhì)。
l 電池組的低溫預(yù)熱設(shè)計
池組低溫預(yù)熱，有兩種基本形式：內(nèi)部加熱和外部加熱。
內(nèi)部加熱：利用電池包外部的交流電源，給電池電解液加熱，直至達(dá)到電池包適用的溫度范圍為止。生熱的部件是電池自身，因此稱為內(nèi)部加熱。
外部加熱：利用外部電源，給電池以外的介質(zhì)加熱，介質(zhì)將熱量傳遞給電池，逐步提高電池溫度，直至電池適宜的溫度范圍。外部介質(zhì)包括空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，生熱的元件PTC和加熱膜等。
如下是電池低溫預(yù)熱加1c放電情況下的檢查點溫度和溫差變化，大家可參考理解電池系統(tǒng)在低溫下的溫度變化
l 電池組保溫設(shè)計
在低溫地區(qū)應(yīng)用的動力電池包，箱體一般需要設(shè)計保溫措施，用來減緩預(yù)熱熱量的散失。防止行車途中短時停車時，電池再次降低到工作溫度以下。一般從模組的保溫和系統(tǒng)的保溫兩方面進(jìn)行設(shè)計。保溫措施并不是每臺具備熱管理功能的車輛都設(shè)置的。車輛預(yù)熱，電池包進(jìn)入工作狀態(tài)以后，電池自身會產(chǎn)生大量的熱，如果不是極寒環(huán)境以及沒有長時間停車的需要，則電池包運(yùn)行溫度可以依靠自身發(fā)熱維持。
電池?zé)峁芾鞢FD仿真
鋰電池Pack設(shè)計中往往會借助熱流體仿真分析來輔助工程師完成pack熱管理系統(tǒng)設(shè)計，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計階段，可對Pack、模組或電池進(jìn)行熱場仿真分析，電池?zé)峁芾矸抡媪鞒讨饕诋a(chǎn)品數(shù)模對其進(jìn)行必要的簡化（前處理），再對數(shù)模進(jìn)行離散處理（劃分網(wǎng)格），然后對系統(tǒng)施加一定的邊界條件和選取適合的計算模型后，交由仿真軟件進(jìn)行計算，最后對計算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理，提取相關(guān)數(shù)據(jù)用于編寫分析報告（后處理）。
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