鋰電池液冷系統(tǒng)設(shè)計的需求有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-18 15:10
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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(fā)揮電池的最優(yōu)性能。動力電池包內(nèi)，集成幾百幾千只電池單體在一個系統(tǒng)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(nèi)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(chuàng)造一致的工作溫度。動力鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)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。
1 需求導(dǎo)入
一個工程項目的設(shè)計，第一步務(wù)必理清客戶需求。除了一般需求，還應(yīng)該設(shè)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。對于液冷系統(tǒng)，動力鋰電池包的基本需求，如下面所列舉的項目所示。
電芯類型及參數(shù)
鋰電池體系選擇，材料體系不同，帶來熱特性的區(qū)別。以現(xiàn)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，高低溫性能處于中上，能量密度高，壽命長，但相對安全性偏低。電芯選型，就是根據(jù)能量密度、功率密度、循環(huán)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(shù)才能確定。
熱管理系統(tǒng)關(guān)心的電池參數(shù)包括：標(biāo)稱電壓和電壓范圍，最大持續(xù)工作電流，能量密度，功率密度，電池內(nèi)阻（新電池和壽命終了階段）、熱特性參數(shù)（等效比熱容、等效熱傳導(dǎo)系數(shù)）
電池組由多少串并組成，等效連接電阻阻值，結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，可能的散熱器布置形式。
電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)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(tǒng)最大發(fā)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(xù)最大功率及相應(yīng)條件下的發(fā)熱功率，電池壽命終點考慮各老化因素以后的持續(xù)最大發(fā)熱功率，汽車運行工況中的最大發(fā)熱功率和持續(xù)時間，汽車持續(xù)最高速運行的最大發(fā)熱功率和持續(xù)時間。
另一個需要確定的需求，系統(tǒng)的最大發(fā)熱功率，是否需要考慮熱失控的情形。
應(yīng)用極端環(huán)境（溫度）
車輛目標(biāo)銷售地區(qū)的最高環(huán)境溫度和持續(xù)時間，最低環(huán)境溫度和持續(xù)時間。
電池包熱管理目標(biāo)
目標(biāo)主要包括最高、最低工作溫度范圍和最大溫差。
2 總體設(shè)計
總體設(shè)計，針對輸入的需求，總體考慮冷卻系統(tǒng)的框架。
根據(jù)系統(tǒng)發(fā)熱功率密度以及密封性、允許溫度范圍、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(yù)留空間，大體考慮設(shè)備的布置和固定方式。
3 計算
鋰電芯發(fā)熱速率計算
人們根據(jù)對鋰電池電化學(xué)反應(yīng)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(yīng)熱、歐姆熱、極化熱和副反應(yīng)熱。對于新電芯，副反應(yīng)熱比例極小，可以忽略不計。但到了電池生命的后期，這種簡化可能會帶來較大偏差。
其中，各項系數(shù)K表示鋰電池在長寬高各方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，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(nèi)部熱傳遞的主要形式——熱傳導(dǎo)方式；熱量只在電芯中心生成，與電芯的實際結(jié)構(gòu)存在較大差異；系統(tǒng)參數(shù)，不考慮隨溫度變化而變化的情形，設(shè)定熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容量為常數(shù)。對于各個方向上導(dǎo)熱系數(shù)的取值，有一種思路是，按照電芯內(nèi)各種組成材料的加權(quán)平均取值。
已經(jīng)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(shè)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(nèi)部不同組成部分的發(fā)熱情形，并綜合各種熱源的作用，從電芯內(nèi)部生熱并在三維空間中進行傳播的情形。
在設(shè)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(fā)熱，哪個點溫度最高，對設(shè)計結(jié)果有確定的影響。但在面對電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計，單顆電芯產(chǎn)生的主要影響是產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率。過多的細節(jié)反而占據(jù)計算資源。
