鋰電池液冷系統設計，有哪些需求和計算

動力鋰電池老化過程，溫度是最重要的影響因素，獲得適宜的工作溫度，能夠減緩電池的老化同時發揮電池的最優性能。動力電池包內，集成幾百幾千隻電池單體在一個系統中，單體性能的一致性直接影響電池組整體的性能和壽命。處在電池包內不同位置，自然散熱條件千差萬別，想要獲得一致的老化進度，先需要創造一致的工作溫度。動力鋰電池熱管理系統的設計目標兩個：

1）電池包內部維持在合理溫度範圍內；

2）不同電芯溫差儘可能小。

1 需求導入

一個工程項目的設計，第一步務必理清客戶需求。除了一般需求，還應該設身處地的挖掘周邊需求，即使客戶沒有提及，我們最好提前私下加以考慮。對於液冷系統，動力鋰電池包的基本需求，如下面所列舉的項目所示。另，本文針對間接冷卻的情形。

電芯類型及參數

鋰電池體系選擇，材料體系不同，帶來熱特性的區別。以現在主流的錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰為例。錳酸鋰，低溫特性比較好，但高溫耐老化性能較差，壽命較短，能量密度中等；磷酸鐵鋰，低溫放電能力差，高溫性能好，能量密度偏低；三元鋰，高低溫性能處於中上，能量密度高，壽命長，但相對安全性偏低。電芯選型，就是根據能量密度、功率密度、循環性能、成本限制等主要要求選擇鋰電池類型。電芯類型確定，熱管理的熱源計算參數才能確定。

熱管理系統關心的電池參數包括：標稱電壓和電壓範圍，最大持續工作電流，能量密度，功率密度，電池內阻（新電池和壽命終了階段）、熱特性參數（等效比熱容、等效熱傳導係數）

電池組設計信息

電池組由多少串並組成，等效連接電阻阻值，結構設計形式，可能的散熱器布置形式。

電池包內結構布置

電池包箱體空間形狀及尺寸，電池模組分布情形，高低壓電纜走線位置，

系統最大發熱功率（電池全生命周期、汽車全工況）

電芯、模組及電池包整體能夠達到的持續最大功率及相應條件下的發熱功率，電池壽命終點考慮各老化因素以後的持續最大發熱功率，汽車運行工況中的最大發熱功率和持續時間，汽車持續最高速運行的最大發熱功率和持續時間。

另一個需要確定的需求，系統的最大發熱功率，是否需要考慮熱失控的情形。

應用極端環境（溫度）

車輛目標銷售地區的最高環境溫度和持續時間，最低環境溫度和持續時間。

電池包熱管理目標

目標主要包括最高、最低工作溫度範圍和最大溫差。

2 總體設計

總體設計，針對輸入的需求，總體考慮冷卻系統的框架。

根據系統發熱功率密度以及密封性、允許溫度範圍、成本要求等，選擇適合的冷卻方式，初步確定散熱器類型，加熱方式。參考車輛預留空間，大體考慮設備的布置和固定方式。

案例冷系統方案框架

3 計算

鋰電芯發熱速率計算

人們根據對鋰電池電化學反應過程的認識，通常把充放電過程中的熱量劃分成四部分：反應熱、歐姆熱、極化熱和副反應熱。對於新電芯，副反應熱比例極小，可以忽略不計。但到了電池生命的後期，這種簡化可能會帶來較大偏差。

一個經過大量簡化的模型如下面公式所示：

其中，各項係數K表示鋰電池在長寬高各方向上的導熱係數，T為溫度，q是電池單位體積的熱生成率，ρ代表電池密度，cp為電池比熱容，t為時間。

該模型簡化了其他熱傳遞模式，只保留在電池內部熱傳遞的主要形式——熱傳導方式；熱量只在電芯中心生成，與電芯的實際結構存在較大差異；系統參數，不考慮隨溫度變化而變化的情形，設定熱傳導係數和熱容量為常數。對於各個方向上導熱係數的取值，有一種思路是，按照電芯內各種組成材料的加權平均取值。

已經存在的大量針對鋰電池電芯熱模型的研究，有的考慮電芯卷繞或者層疊的實際物理形式，設置每層都是熱源，層與層之間有熱量傳遞的過程；有的詳細描繪電芯內部不同組成部分的發熱情形，並綜合各種熱源的作用，從電芯內部生熱並在三維空間中進行傳播的情形。

在設計散熱器或者集熱板的形式及其在電池模組中放置的位置時，電芯中具體哪個部位發熱，哪個點溫度最高，對設計結果有確定的影響。但在面對電池包熱管理系統設計，單顆電芯產生的主要影響是產熱量和產熱速率。過多的細節反而佔據計算資源。

下面需要計算前面公式中生熱速率q，公式來自經典生熱速率模型：

其中，V是電芯體積；I是電芯電流；T是電芯溫度；R是電池內阻；U0對T的偏導數，是溫度影響係數，在20 ℃～ 50 ℃範圍，取常數0. 5 mv /k; I^2R表示歐姆熱， U0對T的偏導數所在項表示電池可逆熱。此生熱速率模型，將生熱速率與電池可以測量到的參數聯繫起來，便於實際應用。選取恆定電流值，則生熱速率可以直接計算得到。

電池組發熱量計算

電池模組內，除了電池單體內阻，還存在著連接電阻。單體電芯連接成電池組，電芯與連接導體的接觸電阻和連接導體的自身電阻；電池模組與模組之間使用高壓導線或者銅排鋁排連接，存在接觸電阻和導線內阻。通電過程中，以上電阻都會產生熱量。對於連接形式相同的電池模組，可以通過整體內阻測量，或者根據經驗給出估計值，在建立模擬模型時使用，後續再根據實驗驗證結果做出調整。

電池組的發熱量，按照電池組內全部電芯的發熱量總和，加上連接電阻發熱量的總和計算。

單片散熱器的選型和計算

散熱器的形式多種多樣，有平板散熱器，熱管散熱器，相變材料組件，鋁板複合熱管散熱器等等。根據單片散熱器承擔的散熱量，設計散熱器與電池組的接觸面積和散熱器與液冷迴路的熱交換面積。

散熱器的接觸面形狀，需要根據電池單體的形狀以及電池組內電芯的布置情形確定，一方面希望散熱器獲得與電池之間最大的散熱面積，另一方面，不同位置的電芯需要保持與散熱器具有相同的接觸面積。

這裡存在一個問題，距離冷卻水管較近的電芯與較遠的電芯相比，流經它的冷卻液溫度偏低，理論上可以通過調節不同位置的接觸面積去抵消冷卻液溫升帶來的影響。但這種設計在工程上的互換性太差，沒有一定的批量，成本會顯著上升。

下圖是案例中蛇形管與圓柱形電池的匹配情況。

系統散熱設計計算

根據應用環境和溫度範圍確定冷卻液型號。電池包冷卻系統內，總共使用了多少散熱器，其散熱能力之和，是對冷卻液循環系統的最低要求。

根據此要求，選擇循環系統管道尺寸和管道布置形式；確定散熱器之間串並聯關係，；確定冷卻液的進出口溫度、壓力和流量；確定泵的揚程；確定製冷裝置功率。

低溫加熱功率計算

總體思路是必須認識到，低溫加熱過程中實際在進行著兩個熱傳遞過程，一個是加熱器給電池包全部部件加熱，另一個是電池包箱體向周圍環境散熱。加熱過程，電池包內部各種材質的部件，分別計算從低溫加熱至理想溫度，需要多少熱量；散熱過程，在加熱器加熱的過程中，電池包箱體吸熱溫度上升，同時又在向周邊環境散熱，這是一個動態散熱的過程，高溫部分的溫度連續上升，低溫環境溫度維持不變。散熱過程主要以兩種熱傳遞方式進行，對流傳熱和熱輻射。

電池包內部件的類型大體包含電芯、高低壓導線，固定電芯用的結構件、冷卻系統的散熱器、冷卻系統管路、電池箱體、電池管理系統BMS和感測器等。下表是案例作者對箱體內材料的大體分類。

計算電池包部件升溫所需全部熱量、箱體散發的熱量之和，得到加熱總體熱量。再根據加熱時間的具體要求，求得相應加熱功率。

合理預熱功率估計

此處預熱是指，在低溫氣候下，車輛長時間停放，電池包及熱管理系統的散熱器、管路以、冷卻液溫度都極低，如果依靠鋰電池自身的電量加熱，一方面溫度過低，可能低於電池允許放電的下限溫度，根本無法實現供電加熱；另一種情形，即使能夠供電，系統內阻大且放電能力差，電池系統自身消耗大量的電能，而電量的消耗直接影響接下來的續航。為了應對這種情形，有設計人員考慮了預熱策略。

電池包溫度過低時，不允許電池包放電，同時要求車主接通外部電源，給電池包內的加熱系統供電，車輛處于禁行狀態。在預熱過程中，冷卻介質充滿冷卻迴路，得以與電池包一起獲取熱量。待預熱過程結束，車輛開始運行，電池自身會產生熱量，維持電池包內的溫度。這樣，避免大量動力電池的電量被用於加熱。只要預熱時間不要拖延太長，對於用戶體驗的提升大有好處。

預熱功率的計算，與前面低溫加熱的計算過程近似，但預熱需要考慮冷卻迴路中充滿冷卻液的情形。

安裝固定強度計算

電池包熱管理系統，部分安裝在電池包內部，部分直接安置在車身上。每個安裝固定和結構設計都需要考慮自身強度和固定強度問題。考慮方式與電池包內的其他部件方法一致，本文不多做敘述。

參考

周慶輝，基於Fluent的鋰離子動力電池的熱分析；

車杜蘭，電動汽車電池包散熱加熱設計；

王元哲，純電動乘用車動力電池液冷熱管理結構設計；

胡春姣，純電動汽車鋰離子電池模塊設計及熱特性分析；

閔德平，電池組結構設計及其熱管理液流傳熱強化研究；

王子緣，基於高導熱殼體的動力電池熱管理系統設計與研究。

（圖片來自互聯網）

推薦閱讀：