动力电池热管理系统设计的三个关键“需求”

2018-03-28 11:00:34      来源:锂电网      编辑:王璞玉      人气:

在车用动力电池系统早期的设计中,不乏以电池布置为主。打开箱体,满满当当的都是电池,热管理设计难觅踪影或被弱化,没有作为关键环节对待。近些年,这种情况发生了根本变化

  在动力电池管理系统中的软件设计功能一般包括电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、SOC 估算、CAN 通讯、放电均衡功能、系统自检功能、系统检测功能、充电管理、热管理等。

动力电池热管理系统设计的三个关键“需求”.jpg

  电池热管理系统的设计,是保障电池运行安全的决定性外在因素。也是提升电池系统寿命等性能指标的关键所在。它直接关系到电池系统最终的成败,可以一票否决设计成果。

  从热设计过程来看,关联元素很多,如同在支点上找平衡。最终的目标,技术实施的结果,就是保证系统内所有化学电芯工作环境的“舒适性”、“均温性”。做到这一点,众多电芯的性能才能“齐头并进”,发挥出最好的作用。

  在车用动力电池系统早期的设计中,不乏以电池布置为主。打开箱体,满满当当的都是电池,热管理设计难觅踪影或被弱化,没有作为关键环节对待。近些年,这种情况发生了根本变化,客户对“缩小使用差距(和燃油车)”很迫切,从功率角度、环境适应性,对电池系统提出了更高的要求,热管理被赋予了新的使命。这就需要运用科学完整的开发流程,循序渐进,认真对待每一个小环节,让热设计满足电池系统要求。

  基于V模型正向开发的入口:三个关键“需求”,想清楚才能做明白。

  其实,所有零件的设计都是基于“需求”的设计。但是这么多年的设计走过来,发现往往出问题的还是“需求”环节。有的问题在设计之初就是模糊或模棱两可。其结果只能是事后打补丁,甚至可能推翻设计。付出很大代价。所以设计之初就要充分“想清楚”,后期的工作,才能“做明白”。

  1)关键需求之一:应用“区域”说清楚,满足环境要求是第一位的。

  从成本角度,不太赞成“全温度”需求设计方案。电池的本征特性NCM、 NCA、 LFP锂离子化学电池温度适应性很窄,也只能通过热管理去调节其应用范围(如图示)。但是,有一个问题,适应环境越强,温度调节范围越大,技术和成本投入也就越大(在热管理的硬件、软件部分)。如何权衡这个问题?我列举几点:

  措施一,设计不同版本的热管理。尽管我们在续驶里程方面,不遗余力的努力,但是大部分车辆,大部分客户,还是把新能源车定义为中短途点对点的交通工具。运行范围还是比燃油车小。例如,如果在南方地区应用的物流车辆,覆盖高寒地区需求设计,显然是不合理,不经济的。时下“用户精准定位”的设计也是一种发展趋势。

  措施二,“告之客户”:比如说,leaf 早期的版本,用户手册上有一条:“勿把车辆,置于49℃以上场所24h以上;置于-25℃以上场所7天以上”。任何产品,都是以满足大多数客户需求为目标的。当面对“少数”客户,少数“情况”的时候,需要给客户“讲清楚”也是合情合理的办法。

  措施三,从根本入手,选择电池类型。比如说LTO电池,低温适应可以提高一个数量级。在电量和能量密度要求不高的情况下,是可以尝试应用的。

  2)关键需求之二:电池系统功率边界SOP,考验热管理温度限值控制能力

  整车的正向设计,功率需求是非常重要的。决定着动力性能的优劣。而电池系统的功率边界,很大程度上取决于热管理的限值控制能力。一般来讲,第一步需要整车功率需求的导入。电池系统再行分解技术指标,选择电芯,选择热管理模式等。当然,电池系统也有鞭长莫及的时候。和整车的匹配曲线,也会不吻合的。这个时候,需要优先考虑整车的安全性。

  3)关键需求之三:系统温差设计目标,主要体现热管理的均温能力

  我一直认为,这是热管理设计的精髓所在。尽管热管理高低温的控温能力,解决了电池的安全运行问题,但是,体现电池性能,寿命能力,是“系统均温”能力说了算的。Tesla <2℃的系统温差,除了说明他的热管理能力强大,更关键的是 model S 、model X 15万英里的行驶里程,大部车辆电池容量损失不到10%,这才是真理。

  均温设计,更多的是从热结构、冷媒介质、控制策略入手,是比较直接的环节。其实,还有一个重要的环节容易被忽略掉,那就是“保温”设计(结构材料、控制策略)。保温措施,是改变温度变化斜率最有效的办法。一方面让高温时热管理降温更快(降低外环境影响),一方面,让环境低温时,停驶的车辆降温慢。这给用户带来了便利,也让环境温度略低于0℃的热管理设计,变得简化和容易。

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