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1、一（)3.1 电池组热管理系统的功能电池组热管理系统的重要功能如下： 电池温度的精确测量和监控；电池组温度过高时的有效散热和通风；低温条件下的迅速加热,使电池组可以正常工作；有害气体产生时的有效通风;保证电池组温度场的均匀分布。34.2电池组热管理系统的核心技术电池组热管理系统的核心技术有：拟定电池最优工作温度范畴;电池热场计算及温度预测；传热介质选择;热管理系统散热构造设计；风机与测温点选择3.4.3电池组热管理方略热管理从性质上可分为降温过程和升温过程。（1） 降温热管理 降温热管理最直接的目的是避免电池组的温度超过电池工作的最高温度,进一步的规定还涉及：控制电池组的温升,均衡电池箱内各点
2、的温度,保持各单体电池的温度一致，避免因温度不同而导致电池组间的电池性能差别。按照降温介质可以分为空气冷却法、液体冷却法和相变材料冷却法。其中,空气冷却是最便宜的措施;液体冷却除了需要盛放冷却介质的空间,还需在体外有额外的循环系统，相变材料冷却的措施较为昂贵9。温度是一种惯性比较大的环节,因此对空气冷却降温热管理使用滞环的措施来控制,如图 7所示，这样可以避免因温度在临界点波动导致风机频繁启停。2）升温热管理 对于锂电池而言,低温下电池负极石墨的嵌入能力下降。因此,低温重要是对锂电池的充电有负面影响,对电池的放电则影响不大20。在低温时,由于电池的活性差，电池负极石墨的嵌入能力下降,这时大电流
3、充电很也许浮现电池热失控甚至安全事故。因此，当电池管理系统监测到电池温度过低时会发出控制信息，告知充电机进行小电流充电。此外，由于低温（低于-0 )环境下，电池的内阻会增长。在充电过程中，电池就会产生更多的热量,使得电池的温度逐渐升高。这样在进行一定期间的小电流充电后,当监测到电池的温度正常后，即可告知充电机恢复正常模式充电。综合以上的方略,锂电池的热管理控制流程图如图 所示。二(2） 电动车电池组热管理系统BTMS的重要功能BTMS 一般有如下几项重要功能:( 1) 保持电池的温度均衡,以避免电池间的不平衡而减少性能；（ 2) 通过使用气体、液体、导体与电池直接或间接接触来积极或被动加热/冷
4、却电池组;(3） 消除因热失控引起电池失效甚至爆炸等危险;( 4)提供通风，保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出,保证使用电池安全性。2 MS 设计核心技术21 拟定电池最优工作温度范畴不管在何种气候条件与车辆运营工况下,BM都要尽量地将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范畴内。因此设计 BTM 的前提是要理解电池组最优的工作温度范畴。本文研究的对象是磷酸铁锂电池，其安全工作温度:充电时,10 +45; 放电时，-0 +5 ,一般其最优工作温度范畴为 1 50 5。.2散热方式的选择目前，使用较多的几种散热方式为风冷散热、水冷散热、空调制冷和热电制冷6( 见表 1) 。在综合考虑了系统制作
5、的难易限度和成本因素后，本文选择了风冷散热的方式，并且本田公司的思域和丰田的普锐斯也都采用了风冷散热方式。2.3 热管理系统散热构造设计电池包内不同电池模块之间的温度差别会加剧电池的不一致性，如果长时间积累会导致部分电池过充或过放,进而影响电池包的性能与寿命,并埋下安全隐患。电池包内电池模块的温度差别与电池组布置有很大关系,一般中间位置的电池容易积累热量，两边的电池散热状况较好。因此在进行电池组系统的散热构造的设计时,要尽量保证电池组散热的均匀性。对风冷散热而言,重要分为串行风冷和并行风冷 2 种。一般来说,采用并行方式进行通风更为有效7,每个电池模块都可以吹到同样量的冷风,保证了模块间温度的
6、一致性,并且电池组的温度可以用几种特定位置的温度传感器来显示，便于电池管理器对温度的采集。本文采用并行风冷进行电池组散热。电池分为上下两排放置,并由3层支架固定在一起。每层支架上部横向开有 5 个长条形孔( 通道 1 5) ， 层支架上的孔构成了纵向的个通道,用于气流通过。空气从进风口进入下部导（ 集)流板,提成 5股气流对电池进行冷却，最后在上部导( 集)流板汇集后从出风口排出（ 见图 1) 。2构造形式的分析本文重要是通过调节通道的间距以及变化集流板的倾斜角度，找出流速均匀性最佳的散热构造。对于调节通道的间距,一种是间距均等，另一种是使通道间距从左至右依次减小，通道间距的递减值分别为 1、
7、 和 mm，则每种方案下5 个通道上的实际间距见表 2。调节气流通道的间距,也即是调节其流动阻力,通道间距越小，则意味着阻力越大,当气流通道间距从左至右依次减小时,阻力依次增大,这样空气会根据其受到的阻力重新分派流量,从而起到调节空气流速分布的目的。这是一种直接调节流速的措施。第 2种措施是变化导流板与水平面夹角,本文采用了 3 种导流板倾斜角度方案，分别是 、4和 6。流体流动的主线因素就是压差,上下集流板倾斜角度的变化影响了通道两侧的压差,从而间接影响了流速。这是一种间接调节流速的措施。 2. 流速均匀性分析本文采用 Gmbt软件生成网格,然后导入 Flent软件来对构造形式进行模拟计算,
8、得到每种构造形式中 个通道的流速，从而分析间距递减值和集流板倾斜角度对流速分布的影响，并拟定出使流速均匀性最佳的构造形式9见图 2 5) 。取每一种构造变动形式中的最大流速和最小流速的差值作为指标来衡量其流速均匀性，成果如图 6 所示。可以看出,流速均匀性最佳的构造形式是通道间距递减值为2 ，导流板倾斜角度为 的方案。. 2 热管理系统控制流程温度较低时（ -10 ） ，电池的活性较差,这时大电流充电也许引起热失控。因此，当系统监测到温度过低时会发出控制信息，告知充电机进行小电流充电。充电过程中,部分电能转为热量，电池会逐渐升温。这样在充电一段时间后,当监测到电池温度恢复正常后（0） ，即可告
9、知充电机停机。由于低温重要是对锂电池的充电有负面影响,而电池放电过程属于放热反映，电池的温度会不久上升到合适温度。因此,这一过程并不需要积极管理1。当测温模块检测到温度 0 时，系统报警; 温度50 时，风机全速运营; 当 40 温度0时,风机进入节电模式采用中速运营，直到低于 40 时风机停机。综合以上的方略,热管理控制流程图参见图 。. 3成果分析在实验室常温条件下( 25 ） 几种电池组散热方式测试成果如表 所示。以上测试成果表白，改善后的并行通风可以明显减少电池组的温度，且将温差控制在3 以内,使电池温度维持在最优工作温度下且单体间温差最小。三(）下面 将采用 通 过 仿 真 和 实
10、验相结合的方 法,对SWB61HEV 混合动力客车的 LieO4 电池包散热系统进行了研究,并在上述研究的基本上，找出了影响电池包散热性能的重要因素,对电池包散热系统进行了优化，得到了令人满意的成果。1 LiFO4 电池的热物理模型为了对混合动力客车电池包中的热流场进行CFD 仿真，一方面应当建立单体 LiePO4电池的热物理模型。同其她类型的车载动力蓄电池同样，LFeO4 锂离子电池涉及正极板、负极板、隔阂、电解质溶液等。由于电池的构造十分复杂,故对其内部热场的精确仿真存在较大的困难。为此可以对电池的热物理模型进行必要的简化。文献1中将电池的发热功率解决为有关电池电流强度的函数；文献2中使用
11、了 ANS 软件对电池内部的热场分布进行了 D有限元仿真，并通过仿真成果指出:可以将电池内部解决为沿三个正交方向具有不同导热系数的均匀固体材料。文献34给出了通过绝热实验测量单体电池发热功率和等效比热容的措施。根据文献4中建立的电池热平衡一般模型以及电池比热容的定义,绝热条件下有:四（）. 几种常用的车载动力蓄电池动力蓄电池是混合动力车辆的核心技术装备之一,规定具有高功率密度、高能量密度、高循环效率、良好的充电接受能力、低自放电率以及良好的一致性等。目前已有的几种蓄电池涉及铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池以及锌空气电池1,5。1.3.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池(Led cd）已有100近年的历史
12、，被广泛用作内燃机车的启动动力源。它可靠性好,原材料易得，目前仍是应用最广泛的车用动力蓄电池,但重要用于启动动力源。铅酸蓄电池活性物质在充电和放电时,发生可逆的化学变化过程,可以用如下化学方程式来表达：铅酸蓄电池通过灌装电解液和充电后，就可以从蓄电池的接线柱上引出电流。由于铅酸蓄电池中的 H2SO4浓度在放电过程中会逐渐减小,因此可以用比重计来测定H2O4的密度,再由铅酸蓄电池的电解液密度拟定其放电限度。单体铅酸蓄电池的电压为 2V，一般所使用的蓄电池组是由多种单体蓄电池串联构成。在使用或寄存一段时间后,单体电池的电压也许减少到 1.8 如下,或者 HSO4溶液的密度下降到32 gcm 时,铅
13、酸蓄电池就必须充电,如果电压继续下降,铅酸蓄电池将会损坏。铅酸蓄电池的特点是开路电压高，放电电压平稳,充电效率高,可以在常温下正常工作,生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。因此国内外开发的称之为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸电池。铅酸蓄电池作为纯电动汽车和混合动力汽车的电源，虽尚有许多局限性，如存在产生新的环境污染等问题,但由于其价格低廉,工艺成熟,特别是近年来密闭技术已日趋完善,因此铅酸蓄电池在动力电源中仍占有一席之地。1.3.2镍氢电池镍氢电池是一种碱性电池,它的比能量可达 80W/kg，比功率10230W/kg，有助于提高混合动力车辆的动力性能和延长其续驶里程。镍氢电池可迅速充电，循环寿
14、命达到 1000次以上。镍氢电池的正极是球状氢氧化镍(2i(O ）)粉末与添加剂钴等金属,用塑料和粘合剂等制成的涂膏涂在正极板上。镍氢电池的负极是储氢合金，规定储氢合金可以稳定地经受反复的储氢和放氢的循环。镍氢电池的电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在充电过程中,水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子,氢离子被负极吸取,负极的金属转化为金属氢化物。当放电过程中,氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极,氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。镍氢电池的化学反映方程式如下:镍氢电池用于纯电动车辆及混合动力车辆上的重要长处有：起动加速性能好,迅速充电时间短,一次充电后的续驶里程较
15、长,不会对周边环境导致污染,易维护,且没有记忆效应。镍氢电池在充电过程中容易发热，在高温状态下,正极板的充电效率变差,并加速正极板的氧化，使电池的寿命缩短。负极储氢合金加速氧化,并使储氢合金平衡压力增长,储氢合金的储氢量减少，减少镍氢电池的性能。镍氢电池在充电后期,会产生大量的氧气,如果安全阀不能及时启动,会有发生爆炸的危险。1.3.3 锂离子电池锂离子电池的正极采用2iMnO 等锂的化合物制造,负极采用天然球状石墨或片状石墨、人造石墨和层状石墨的锂碳化合物（6iC )等制造。由于锂的化学性能活泼，遇到水时会发生剧烈的化学反映，因此必须采用非水性电解质，一般用有机溶剂/无机盐、无机溶剂/无机盐、固体锂离子导体或融熔盐构成。在锂离子电池中正极采用不同的材料时,其电化学氧化反映会略有不同。以MnO2为例:锂离子电池显示出诸多长处,电压高达 3.64V,比能量达到
