锂离子电池已成为引领下一轮汽车革命的最合适的选择，其功率密度、高能量和封装效率是主要的参考因素。电池的动态运行和工作环境导致电池热管理是影响电池工作的主要因素。分别对不含和含冷却管理的电池系统进行了设计和仿真计算。最初，采用296个锂离子电池设计了66 kWh/400V的无冷却电池系统，整体尺寸1550×1190×270mm，重量400kg。结果表明：温度分布高于电池的最佳性能温度范围(25-55℃)。考虑余热的耗散和电池温度分布的均匀性，在系统中添加了冷却系统。使用含40%乙二醇水溶液对电池进行散热，电池系统恒定功率输入1868W，冷却液温度24℃，入口流量352kg/h。结果表明：冷却液温度低于46℃，电池温度低于50℃；分析并验证冷却液的压降，对电池冷却系统各处的温度进行对比分析。
电池热参数-产热及其影响
01
锂离子电池
锂离子电池由正极、负极和电解质组成，在充电过程中电子从正（阳极）移动到负（阴极）电极，反之亦然。与其他电池技术相比，锂离子电池的优势在于其体积和质量-能量密度。该特性使锂离子电池对不同应用领域非常有吸引力，尤其是在能量密度至关重要的汽车行业。锂电池有三种不同的形状，即圆柱形，棱形，及袋状。
1.电池内部产热
变熵电化学反应和变电流电阻热在电池充电和放电过程中产生的热量。在不使用冷却系统的情况下，放电过程中产生的热量进入电池。一旦找到了热产生和热传递速率，t就可以在每个时步中计算，如下式：
其中，m代表模块质量，Cp表示模块比热容。
2.电池性能
锂离子电池的性能很大程度上取决于电池的温度。锂离子电池的最佳工作温度为25 ~ 55℃，在此范围之外将对电池的性能和寿命产生负面影响。
3.锂离子电池的热失控
当电池温度超过一定限度时，就会发生一系列的放热反应，从而进一步提高温度。链式反应会持续下去，导致热失控。如图1所示，热失控过程中产生的大量热量和气体会导致火灾和爆炸。热失控可由高温、过充、短路、钉穿等多种原因引起，分析由过热引起的爆炸。当SEI(固体电解质界面)分解时，热失控在大约80℃开始，SEI是负极和液体电解质之间的保护层。随着SEI的破坏，电解质和电极将在100℃左右开始反应，放出大量的热进一步提高温度。在130℃时，阳极和阴极之间的分离器熔化并导致内部短路。在200℃时，链式反应开始首先是锂金属氧化物，然后电解液与氧气反应并分解。
图1 单个电池的产热
4.电池热管理系统
如前所述，不合适的电池温度会对电池的性能、寿命和安全性产生负面影响。因此，每个电池系统都需要进行热管理（BTMS）。BTMS的主要是将电池保持在最佳温度范围内，并维持电池包的温度均匀性。在此之后，还必须根据电池组的应用情况考虑重量、尺寸、可靠性和成本等其他因素。本文采用直接液冷法，覆盖整个电池表面保证冷却的均匀性，该方法消除了电池中的热点/冷点进而提高了电池的性能。冷却剂的选择要求低粘度、高导热系数和高比热容。
02
冷却剂
冷却剂流量设置为所需的最小值，以保持入口和出口之间的总冷却液温差等于5℃。冷却剂质量流量如下式所示：
Q表示每个单元产生的热量，ρ和Cp分别是冷却剂的密度和热容。∆T设为5℃，
表1 冷却剂计算结果
表2 乙二醇水溶液物性参数
数值模型
采用商业计算流体动力学(CFD)软件STAR-CCM+进行数值模拟。连续性、动量和能量的控制方程分别如下式所示：
为了模拟冷却剂的流动，采用了标准k-Epsilon模型，具有鲁棒性和稳定性。除了守恒方程之外，还求解了双输运方程(PDEs)，该方程解释了湍流能量的对流和扩散等效应。这两个传输变量分别是湍动能k和湍耗散率ε。
纳维-斯托克斯方程如下式所示：
k-ε模型如下式所示，其依赖于自由剪切运动，如具有相对较小的压力梯度的流动。
采用标准K-Epsilon通用模型常数如图所示：
湍流粘度如式所示：
其中，Prt表示湍流普朗特数，gi是引力矢量在第i个方向上的分量。对于标准模型和可实现模型，Prt的默认值是0.85。
热膨胀系数β定义为：
Wall Y+方程，紊流模型k-ε仅限于大雷诺数和均匀的紊流，不适用于粘性效应占主导地位的壁面附近。Y+计算如式所示：
其中，Ur表示摩擦速度，（m/s）；yp表示第一层网格到壁面的距离；v表示动力粘度（m2/s）。电池冷却剂的流动模型采用k-Epsilon湍流模型。
电池仿真
01
电池包设计
电池组由多个相同的电池，BMS电流收集器，电池支架，冷却板，接线盒，和顶部和底部电池盖组成。所述单元可以配置为串联、并联或两者混合以输送所需电压和容量。仿真模型如图2所示。
图2 电池模型拆解图
袋状电池由薄铝箔制成并包裹在聚合物层中；电池模块由多个袋状电池堆叠成外壳；热冷却泡沫垫沿外壳粘贴确保结构的稳定和散热；添加塑料框架保证标签分离防止短路。电池管理系统由微处理器和塑料芯片组成；NVH泡沫被用作结构构件抑制来自包装的噪声和振动。电池冷却系统在给定泵送功率下优化冷却流路，并按要求维持电池温度。母线和其他载流元件通常由铝制成，由于铝具有优良的导电性。ABS，丙烯酸和塑料用于连接器和各种组件的覆盖物。表3解释电池组的电池规格。
表3 电池参数
02
CFD流程
图3介绍了含冷却系统和无冷却系统的电池热仿真的工作流程。
图3 流程图
03
CFD设计
图4建立了电池热行为的几何模型，电池组件及其材料性能如表4所示。
图4 几何模型
表4 电池材料参数
04
冷却通道设计
冷却通道的计算如下式所示：
其中，A表示冷却通道的面积（m2）；M表示冷却剂质量流量（kg/s）；V表示冷却剂速度（m/s）；ρ表示冷却剂密度（kg/m3）。
05
网格
采用STAR-CCM+网格划分生成多面体网格，对于流体域，首先进行网格细化同时确定冷却管壁上的边界层。固体域的基础尺寸为5mm，流体域的基础尺寸为4mm。基于y+目标值1，体积增长率设置为1.2，边界层厚度设置为0.5 mm。此外，进行网格无关性验证，三种网格数量分别增加了25%，确定网格数量为1000万个。体网格如图5所示。
图5 网格模型
06
物理连续体
物理连续体是一个由数值定律和模型控制的环境，这些定律和模型将应用于我们模型的一个或几个领域。可以是气体、流体或固体，为每个固体和流体组件设置了物理。流体域采用隔离绝热K-Epsilon湍流壁函数模型，外固体表面考虑对流。与环境换热系数为10W/m2·K，固体部分的环境温度为300K。系统的边界条件为冷却剂进口质量流量352kg/h和温度24℃。收敛系数满足质量流量、温度和压力等所有因素。表5描述了连续体设置。
表5 CFD物理连续体
DOE矩阵 -热模拟
表6表示11种不同模拟的DOE矩阵，一种模拟是没有冷却系统，四种模拟是有液冷(2个进气口和2个出口)，最后一类是有冷却(1个进气口和1个出口)。对电池系统进行了三种不同类别的模拟。
表6 DOE矩阵
07
无冷却系统的电池模型
图6为无冷却系统的CAD模型。在不考虑冷却剂流动的情况下进行了模拟，外罩对流速率为10w/m2·k，环境温度为27℃。
图6 无冷却系统的CAD模型
没有热管理系统的电池系统的结果，图7表示无冷却系统的温度分布；图8是截面温度分布；图9是图7为电池各部件的温度曲线图。可以看到内部部件的温度值超过了100℃；图10是各部件的最大温度图。
图7 温度分布 图8 界面温度分布
图9 电池各部件的温度曲线 图10 各部件的最大温度
电池系统在高温下的影响，如图11所示。
图11 无冷却系统的温度影响
08
带冷却系统的电池-第一类结构
图12为第一类冷却结构系统图，有两个冷却入口和两个冷却出口。
图12 第一类仿真结构
对冷却剂和固体分别设置各自的热特性和固体组分。电池使用的材料是铝、铝合金、热塑性塑料、导热润滑脂、NVH泡沫和40%乙二醇溶液作为冷却剂。对系统进行仿真分析结果如图13所示。case2(管道1&2进口和管道3&4出口)的温度均匀性优于其他情况，case 2中各部件的最高温度较低，主要是冷却剂带走了更多的热量。case2的压降为48.1mbar，这是由于通过冷却系统的流道造成的。
图13 温度分布
09
带冷却系统的电池-第二类结构
图14为第二类冷却配置的仿真结构图，包含一个进口一个出口。
图14 第二类仿真结构图
从图中可以看出，case 8(1号管道入口和4号管道出口)的温度均匀性较好。由于电池系统的冷却剂传递了更多的能量，外壳8的电池部件温度最低
图15 温度分布
图16 冷却剂温度分布
10
总结
对不同电池配置进行了设计和三维仿真。没有冷却系统的电池系统导致其部件温度较高(高于120℃)，从而导致系统故障。I型和II型冷却系统配置在最佳电池温度范围内运行(25-55℃)。I型(多进出水口)比II型(单进出水口)配置更好、更高效。考虑到电池的产热和温度均匀性，从冷却矩阵中选择case2(1&2个入口，3&4个出口)作为最佳配置。case2的压降为48.1mbar，电池部件中最低温度(34.55℃)。
结果和讨论
为了实现电动汽车电池包的冷却性能和成本效益，热管理和冷却系统类型的选择是非常重要的。电池系统的冷却涉及到冷却方式、冷却系统的设计、电池冷却系统的进、出口等几个因素。在本文中，电池热管理系统选择了液冷方式。没有选择风冷方式，因为风冷系统的传热系数比液冷要低，且空气的热容量小，很难保持包内的温度均匀。选择40/60比例的水和乙二醇混合物用于间接冷却系统，因为它在车辆应用中具有较低的冻结温度。水/乙二醇具有较高的热容量，因此采用水/乙二醇作为传热流体可以大大减小系统内部冷却液的温度变化，同时也可以达到温度均匀性。
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文章来源：汽车测试网、AutoAero
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技术快报 | 整车热管理系统(TMS)的控制策略开发技术及平台车载控制系统控制策略的开发，不管是采用敏捷模式、前后溯源逐步迭推模式，还是分层式、主从式，多是通过“V”字型开发流程采用模型化的开发方法(MBD, Model based development)来完成。
“V”字型开发流程图
针对这一开发流程，中汽中心工程院风洞中心建立了整车热系统功能性能对标测试分析、系统构型、系统功能性能仿真、控制快速原型、系统标定、系统仿真测试分析（在建）、关键零部件及系统实际环境测试分析等全流程关键节点的开发能力。
整车热系统功能、性能对标测试分析
作为产品需求分析、市场定位分析的重要环节，对标(Benchmark)测试是常用手段。根据行业里对整车热系统控制对标测试分析的需要，风洞中心开发团队已经掌握了各种情况下的CAN、LIN通讯协议的解析能力，还具备了外加测试通道实测相应性能数据的能力。基于此，开发团队具备了新能源汽车热系统及动力总成系统能耗测试并对测试数据进行自动分析计算的能力和分析整车热系统控制的功能、性能并得到Benchmark解析报告的能力(能量流可自动计算分解到续航工况下的每一个循环的每一个器件)。
计算程序界面
整车热系统构型
根据待开发整车的设计空间布局、电池电驱系统的配置及其性能标准、乘员舱的制冷和制热需求、主动及被动冷却和余热利用的工作模式，以及参照Benchmark测试数据库的数据或对比数据，进行热系统总布置的设计构建符合要求的热系统构型。
构建某一混动车型TMS构型图
首先根据整车热系统构型与性能要求，进行系统内关键零部件的选型和功能性能验证，其次依据性能仿真的结果对当前的热系统可开展多种分析优化工作。分析优化的工作包括但不限于：系统工作风险与热害分析、性能性能与零部件热害防护的折中优化、不同模式不同工况与不同负荷下能耗分析与能耗耗散分析、总布置与流道和工作模式的优化、系统性能与成本的折中优化，各零部件之间的关联协调与控制逻辑设计等。
系统功能、系统性能仿真
针对各类热系统构型，基于Simulink + Amesim建立相应的模型，对系统和系统中的部件的功能和性能进行仿真和虚拟验证。可实现热系统中执行部件如电动压缩机、各类阀、水泵、PTC、鼓风机和风门电机等各种的动作是否到位，是否满足相应的实时响应要求，结合实验数据进行软标定。在系统性能模型中，分析性能是否满足设定要求，各种散热器(包含冷凝器、蒸发器、液液板换)性能是否满足设计要求，并在实际工况模型中进行必要的优化。在系统性能验证中还可验证升降温响应、冷却水流量、制冷剂充量、压缩机转速、压缩机功耗限值、水泵控制方式、风扇控制方式、鼓风机控制方式、舱内温湿度控制是否满足人体舒适区间要求、电池水热系统是否满足其工作温度区间要求等。必要时，可仿真出不同性能的工作模式，节能模式、舒适模式、常规模式与极限模式。
结合热系统控制与原型需求、温度分布区间与分布均匀性需求，对热系统构型做必要的优化，提出策略原型逻辑框图。
热系统性能仿真模型图
控制快速原型
基于1D性能仿真优化后的构型，结合热系统构型和控制策略原型逻辑图，选用热系统中相应的部件如电动压缩机、电子膨胀阀、鼓风机、PTC等部件，制作或选取相应的管道、流道等器件，在选取合适的实时控制器和IO端口后便可便捷地将热管理的控制程序下载编译到实时控制器中，快速构建起目标的快速控制原型(RCPs，Rapid Control Prototype system)。
在没有生产出车载级的热管理系统控制单元时，可采用快速原型的方式将快速将TMS驱动起来。在快速原型的方案中，选取适当算力的原型控制器代替车载的实时控制器；选取配置功能丰富的接口代替嵌入式系统接入热系统中的真实器件。本方案可验证热系统的控制策略是否满足设计；验证控制系统是否可靠；验证TMS中零部件的性能，最终将验证后的系统信息和系统中软硬件的指标作为硬件开发的输入对车载级TMS控制单元的开发起到指导作用。该RCPs，具有丰富的周边IO接口，依据热系统构型的需要，可灵活配置，已经开发了一套运行通验证的原型软件，针对其它不同TMS构型，只需要调整接口、替换控制逻辑模块“CaculateSub”，进行适当的配置即可运行控制。
热系统RCP模型图(软接口底层驱动及控制程序)
基于RCPs可直接运行在Simlink、C、C++开发的模型程序，验证并优化调整控制策略，同时软件模型可轻松实现反复修改、模块化复用和封装、更换底层驱动等方式针对不同控制器重新编译下载，这都极大地便利了控制策略的实行和TMS系统软件的开发。基于这一特点便于在开发的前期或半实物状态和真实环境下反复研究、配置系统，减少了开发的费用，提高了开发的效率。
热系统RCP系统图(硬件系统)
基于RCPs可实施TMS零部件的标定工作和零部件性能验证工作。TMS中的温度、压力、阳光和空气质量传感器、出风口工作段和风门位置的标定可通过RCPs来实现。TMS中电动压缩机、PTC、鼓风机、风扇和水泵等执行部件的功能性能要控制指令（开关指令、PWM波、LIN控或CAN控物理值）之间的关系可通过RCPs来验证。TMS中各部件的性能和功能验证如，运行能力、NVH特性测试、PTC功耗测试、制热量测试和水泵功耗等测试都可通过零部件的在环测试实现。以上对于零部件的验证，在开发的前期实现合适的零部件替代，提高零部件在热系统的性价比。
基于以上工作构建出适合整车的热系统，必要时进行操作运行界面虚拟开发和测试监控界面开发，如下图示：
热系统RCP模型图(操作运行界面)
除零部件的测试验证外，RCPs可完成控制仿真之后的真实器件系统级控制的实现、系统级的标定，也在车载ECU未开发出来时代替完成HIL测试、实现对整车级的TMS控制，完成整车级的标定工作；可完成TMS零部件、系统在台架、系统在整车的电能耗测试、工作效率测试，结合环境实验室可实施TMS零部件、系统在台架、系统在整车的工作状态的热害测试等。
风洞中心为行业开发的RCPs，基于真实器件，既可对TMS中的任一器件实施实时的控制，即任何一台风门电机、电控压缩机、电子风扇、电动鼓风机、电动水泵、PTC、电子膨胀阀等单独实施控制，完成零部件的控制相关测试与验证；也可对TMS系统在台架状态以及在整车状态实施系统级控制，完成台架在环境实验和整车在环境实验；还可对车载其它真实执行器件实施控制，如任何一扇车门及其玻璃的升降控制、后视镜的动作控制、座椅加热与通风控制、座椅姿态调节、主动格栅(AGS)的动作控制、刮水器电机的控制、玻璃清洁喷水系统控制、转向电机控制、气囊点爆控制、安全带预紧控制等几乎所有的车身电子、舒适电子的快速原型控制。实现TMS、车身电子与整车的同步开发、验证。
至此，基于该TMS控制开发平台(含物理构型和原型控制的平台硬件和软件模型，可满足热系统控制需求实时运行)，既可完成热系统控制策略的开发服务，也可单独向行业提供热系统及其零部件的标定、测试验证服务；基于该开发平台技术，实施各种热系统自主控制对标测试与验证测试，完成控制方案开发验证，直至最终交付成套的整车热系统方案和技术。
作 者：于镒隆
来 源：汽车风洞测试与应用重点实验室
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