1、CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.全天候全生命周期电池温度一致性管理汇报人：方勇2021/4/26CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.目录CONTENTS电池热管理重要性01热管理系统设计02电池热管理控制策略03热管理系统测试042CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.C

2、HINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.01 电池热管理重要性3CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.4什么是电池热管理？电池的习性与人相似，它既受不了太热，也不喜欢太冷，最适宜的工作温度在10-30C之间。而汽车的工作环境非常宽广，零下20-50C都很常见，那怎么办呢？那就需要给电池配热管理系统，以实现以下的4个功能：1342冷却（风冷、直冷、液冷、相变材料冷却）充放电过程中，电池温度较高时，进行

3、有效散热，避免温度过高。保温对电池系统进行有效保温，防止壁面低温环境下温降过快，局部温差过大。降低热失控风险降低热失控风险，同时进行热失控预防和预警。加热（液热、加热片加热）电池温度较低时，进行快速加热。CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.高温对电池性能的影响高温使循环寿命降低高温使热失控风险增加高温使充放电倍率降低高温循环寿命倍率5安全CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHI

4、UM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.低温对电池性能的影响低温使放电容量衰减析锂导致的内短路存在引发热失控的风险低温使充放电倍率降低低温容量倍率6安全CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.温差对电池性能的影响直流内阻出现差异温差增大，电池包总容量降低。温差增大，充放电倍率受限。温差DCR容量倍率7CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY

5、TECHNOLOGY CO.,LTD.温度一致性重要性8木桶效应：电池系统的性能、可靠性取决于最弱的一个电芯，系统的安全性取决于最不稳定的一个电芯。举个例子，下图是某型号三元锂电芯最大放电电流随温度变化的曲线，可以看出电芯的性能和温度关系非常大。假设大部分电芯温度为20度，而电芯B因为加热慢温度只有10度，那么整个电池包都必须迁就B电芯，放电电流被迫从140A下降到100A，性能下降了三分之一。CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.PACK内产热过程PAC

6、K内产热过程电池产热电池自身欧姆热及化学反应产热电池设计电器件产热电流通过导电介质产生的热量电路电连接设计导热电池和其他零部件之间的热传导结构设计热管理设计对流换热通过流体（液冷、风冷）换热热管理设计9CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.自身属性温度SOC充放电倍率电池自身结构设计（影响DCR）及正负极反应热。不同温度电池DCR不同，温度越低，DCR越高，发热量越高。不同SOC电池DCR不同，SOC较低或较高时，DCR较大，发热量较大。不同充放电倍率，电

7、流不同，倍率越高，电流越大，发热量越大。影响因素电池发热量主要影响因素10CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.02 热管理系统设计11CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.电池热管理冷却系统BTMS利用空气的自然对流换热，将PACK、模组或电池单体的热量传递到周围空气中。自然冷却系统结构形式与液冷系统类似，冷却工质为

8、制冷剂，制冷工质流经冷板时，发生相变吸热将电芯热量带出电池包。直冷系统利用循环液在液冷板内循环流动，将电芯产生的热量带至电池包外部回路，最后通过空调系统将热量传递至环境中。液冷系统通过风扇将空气引入箱体内部，以一定的流速掠过模组或者电芯的表面，将热量散入环境中。强制风冷12CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.电池热管理系统设计开发流程热管理需求及功能分析热管理仿真优化及控制策略制定系统样件试制及系统集成系统及零部件试验测试热管理系统优化设计热管理系统概念

9、方案设计热管理系统及零部件详细选型设计优化优化优化优化优化优化13CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.热管理系统需求及功能分析 根据整车使用环境、运行工况和功率需求等设计输入，分析电池系统对热管理系统的需求，确定热管理系统功能及设计目标。常用的加热和冷却组合方式如下：自然冷却+加热片加热液体冷却+加热片加热液体冷却+液体加热电池产热最恶劣加热和冷却工况仿真分析温度及温差控制要求防护等级、重量、成本等要求选择合理的热管理方式热管理方式选择14CHINA A

10、VIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.热管理系统需求及功能分析温度目标流阻目标空间目标质量目标冷却工况：最高温度50，温差5；加热工况：温升速率0.5/min，温差8。液冷系统流阻一般30kPa（单层板流阻仿真设计时 冲压板钎焊液冷板 口琴管钎焊液冷板；PTC加热片 硅胶加热片 PI加热膜。热管理设计目标分析15CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY

11、 CO.,LTD.热管理系统概念方案设计 加热和冷却部件位于模组底部；加热和冷却部件位于模组侧部。传热路径分析 液冷系统回路设计“多并少串”，降低系统温差与压降；PTC并联设计，硅胶加热片及PI加热膜串联设计。串并联回路设计根据电池系统的模组布置方式、空间限制、成本及重量要求等方面选择热管理方式；液冷板、管路及接头、导热垫、支撑垫、温度传感器、加热片等初步排布。系统概念设计16CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.液冷系统详细选型设计液冷板设计串并联设计流

12、道高度流道宽度液冷系统设计01020304导热结构胶选型设计粘接强度导热系数老化成本管路及接头设计管路布置管径选择接头选择管路固定支撑垫选型设计压缩比面积支撑力17CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.冷板设计-换热量的计算 分析冷却和加热传热路径，计算传热路径热阻链。18散热设计电芯蓝膜导热胶冷板流体=电芯导热热阻：电芯与蓝膜接触热阻：蓝膜导热热阻：=蓝膜与PET膜接触热阻：导热胶导热热阻：=蓝膜与导热胶接触热阻：冷板导热热阻：=导热胶与冷板接触热阻：冷

13、却液对流换热导热热阻：5=hCHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.冷板设计-换热量的计算19=4Re=vdePr=CpNu=1.86 （RePrL/d）1/30.14=de流体流动时雷诺数Re为：de为当量直径，对于圆形流道，当量直径为圆形截面的几何直径，对于非圆形流道，当量直径可用以下公式计算：流体流动时普朗特数Pr为：当Re0，若直接将模组装在冷板上，会导致模组底部与冷板之间存在空气，增大接触热阻，会影响传热，进而导致温度高温差大。在模组和冷板之间使用

14、导热材料的主要目的是减少两者之间的接触热阻，导热垫和导热胶都可以很好地填充接触面之间的间隙。合理地选择导热材料（导热胶、导热垫），不仅要考虑其热传递能力，还要兼顾生产中的工艺、维护操作性、优良的性价比。CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.导热界面材料-导热结构胶25导热结构胶选型要素：1）粘接强度2）导热系数3）老化性能导热结构胶DV测试测试项目密度模量导热系数断裂伸长率剪切强度本体拉伸强度拉拔强度阻燃击穿电压高温老化体积电阻率温度冲击介电常数硬度介电损

15、耗禁用物质CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.液冷板支撑结构选型设计26 液冷板自身不具备承重能力，为了使液冷板及导热胶与模组底部的紧密接触，支撑结构必须提供持久的支撑力，常用的液冷支撑结构为发泡硅胶垫和弹簧钢。冷板支撑垫片DV测试测试项目外观、重量、尺寸低温脆化阻燃禁用物质介电强度材料特性体积电阻率压缩应力压缩永久变形应力松弛温度冲击拉伸强度百万次压缩变形CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIA

16、TION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.27 加热方案目前主要采用液热和加热片加热两种方式加热片主要分为PTC加热片、PTC加热膜、硅胶加热片和PI加热膜四种形式。在对加热片进行选型设计时，应根据空间、重量、成本及加热功率的需求，选择合适的加热片材质，并完成加热片尺寸的设计。电池热管理加热系统CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.28电池热管理加热系统PTC加热片PTC加热膜硅胶加热片PI加热膜实物图结构陶瓷发热元件

17、+铝板PI膜+PTC热敏分子硅胶本体+加热芯体PI膜+加热芯体厚度58mm0.4mm左右1.2mm左右0.38mm左右串并联形式并联并联串联串联功率密度特性自控温，不干烧自控温，不干烧无自控温，干烧无自控温，干烧承重能力具备承重能力不能承重不能承重不能承重布置位置模组底部模组侧部模组侧部或底部模组侧部或底部CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.加热片设计291.加热功率计算=60：加热片的加热功率，W；、m：模组的比热容(/)和重量（kg）；：客户要求电池

18、加热温升速率，/。0=1+20%考虑到模组与其它零部件间热传导以及加热片另一面散热等各种因素的影响，增加20%左右裕量进行设计，故实际所需加热功率为加热片DV测试测试项目外观、重量胶壳与端子保持力电阻焊点拉力冲击电流温度冲击温升恒温湿热耐压绝缘盐雾干烧温度振动阻燃双面胶剥离力接插件压接强度禁用物质CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.05 电池热管理控制策略30CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVI

19、ATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.电池热管理控制策略31 电池热管理控制策略主要包括液冷系统入口温度、流量及冷却和加热开启温度阀值。不同工作模式下电池热管理控制策略见下表。工作模式开启温度关闭温度入口温度入口流量低温快充加热5L/min高温快充冷却35301520高温慢充冷却40352025高温放电冷却40352025自循环冷却3027不制冷高低温环境下，热管理系统的能量消耗显著影响驾乘体验，缩减电动汽车续驶里程。高低温环境下，热管理系统的能量消耗显著影响驾乘体验，缩减电动汽车续驶里程。CHINA AVIATION LITH

20、IUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.几种典型工况热管理策略制定及优化过程32 高温快充冷却制定初版高温快充冷却策略；进行仿真分析/试验测试；观察快充过程中，是否因为温度原因造成充电功率受限。根据测试结果，适当降低或升高冷却系统开启温度；冷却系统关闭温度比开启温度低5。注：如液冷系统开启温度较低时，仍无法满足冷却需求，可适当降低液冷系统入口温度，或增大液冷系统流量。CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BAT

21、TERY TECHNOLOGY CO.,LTD.33几种典型工况热管理策略制定及优化过程 低温快充加热制定初版低温快充加热策略；低温快充加热开启温度为，该温度根据快充0.8C持续充电电流对应的最低温度确定；低温快充加热关闭温度为，该温度根据快充1C持续充电电流对应的最低温度确定；进行仿真分析/试验测试；观察快充过程中，加热速率是否能够满足低温充电时间需求；根据测试结果，如电池加热温升速率较低，可适当增大液冷系统入口温度，或增大液冷系统流量。CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLO

22、GY CO.,LTD.04 热管理系统测试34CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.热管理系统测试及标定35液冷系统DV测试测试项目测试目的目标参数密封及流阻液冷系统气密观察是否漏液泄漏量/率液冷系统压降匹配整车水泵功率进出口压降热性能高温静置热管理性能是否满足需求温降速率及温差低温静置温降速率及温差加热性能温升速率及温差冷却性能冷却效率及温差机械性能振动机械性能是否满足需求液冷系统气密球击冲击CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY CO.,LTD.CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY TECHNOLOGY CO.,LTD.敬请指导36