新能源汽车动力电池热管理系统设计及综合效率评估_浙江大学_1214

新能源汽车动力电池热管理系统设计及综合效率评估黄钰期动力机械及车辆工程研究所浙江大学动力机械与车辆工程研究所目录前言1系统设计流程2综合效率评估指标3总结4浙江大学动力机械与车辆工程研究所前言one黄钰期，博士，副教授Ø2010年7月毕业于浙江大学能源工程学院|获车辆工程博士学位Ø曾于浙江大学航空航天学院|获工程力学学士、流体力学硕士学位Ø现任职于浙江大学能源工程学院|动力机械及车辆工程研究所u研究方向：Ø车辆冷却系统设计、散热器结构优化、强化传热机理研究Ø新能源汽车动力电池热管理Ø汽车空气动力学、减阻降噪（气动噪声）设计浙江大学动力机械与车辆工程研究所第4页前言01现状Ø前有劲敌（传统燃料、代用燃料），后有追兵（燃料电池…）Ø电池所能产生的动力性能差异很少，因此，在满足寿命、安全性等必需条件外，续航里程、轻量化、能量密度、低事故率等成为核心竞争点Ø综合能量密度指标不断刷新Ø车企强势介入（合作建厂、入股、自建）Ø市场趋向标准化、通用化、规范化资料来源：MauroErriquez,ThomasMorel,Pierra-YvesMouliere,PhilipSchaferfrom麦肯锡，大吉翻译浙江大学动力机械与车辆工程研究所第5页前言02方向与预测Ø对热的有效控制是关系到性能持续提升和市场扩大的关键u高能量密度意味着更高的热耗散需求（发动机、核电站）u深冷环境下的快速升温和应用保障u自动驾驶、智能互联等计算处理器的功耗和散热需要纳入考虑u便利安全，低维护，需成为制胜法宝。因此要考虑特殊条件下的可靠热管理：快充、电池老化、热失效…浙江大学动力机械与车辆工程研究所流程two浙江大学动力机械与车辆工程研究所工作思路既能满足当前企业需求，快速完成高效可靠的热管理系统设计；又能切合市场远景需要，发展标准化、精细化、智能化的热管理解决方案。研究目标p效果（控温、均匀、多目标兼顾、多范围应用）p效率（低能耗）p响应（快速响应、突发情况应对）p标准化（提出综合评价指标，构建标准化评价体系）p…第7页系统设计流程浙江大学动力机械与车辆工程研究所1.整体预判Ø通过系统分析方法确认总体性能要求和设计目标Ø估算产热率和冷量需求2.解耦设计Ø发挥技术优势，设计具体结构Ø以典型参数规范设计标准3.部件集成、匹配、优化4.系统实现第8页浙江大学动力机械与车辆工程研究所系统构成热/流边界条件三维实体建模网格划分CFD分析ANSYSFLUENTCOMSOLSTARCCM+电池模块三维实体分析冷却模块三维实体分析冷却模块边界条件电池参数生热速率是是否满足性能指标？否系统搭建、实验测试多点测温、红外成像最大温度均匀性温升率集成、控制、辅料选型和匹配工作条件，车辆运行工况，控制策略；环境温度模型改进设计目标热系统一维设计分析核心组件关键性能指标结构形式耦合是否装配、调试是否符合设计目标？FLOWMASTERAMESimMatlab/Simulink第9页流程01系统设计流程—整体预判浙江大学动力机械与车辆工程研究所Ø研究对象：圆柱、方形、软包Ø应用背景：产品对象、动力需求、使用环境Ø研究工具：Flowmaster、AMESim、matlab/Simulink…Ø对象特点：非线性、瞬变、非均一、多个体混联Ø通过系统分析，明确几个关键点：ü核心组件ü边界条件ü攻关方向第10页流程01系统设计流程—整体预判浙江大学动力机械与车辆工程研究所Ø根据需求确定冷却方式（被动式：自然对流、相变材料填充；主动式：强制风冷、水冷、热泵…）u高效的系统必然是多种冷却方式的组合（导热、储热/冷、散热）u系统的舒适性、响应、智能化需求最终通过控制策略来实现u两相流冷却（直冷）在未来发展中将具有显著优势（节省硬件、快速响应…)第11页流程01系统设计流程—整体预判—系统分析浙江大学动力机械与车辆工程研究所Ø充分利用空气端热汇第12页浙江大学动力机械与车辆工程研究所电机及控制器乘员舱PTC电池热模型几何模型热物性参数生热边界条件动力电池组（一维）热特性生热速率输出功率SOC初值循环工况制冷剂冷量(蒸发温度）输出功率乘员舱温度反馈制冷量（蒸发温度)热量（冷凝温度）电池组温度反馈电机及控制器温度反馈制冷剂冷量（蒸发温度)、热量（冷凝温度）循环工况热量电池温度反馈备用电源压缩机蒸发器1冷凝器空气端散热结构（三维）制冷剂侧压降换热面积表面效率流量系数轴功率输气系数入口及出口尺寸换热面积表面效率流量出口温度质量系数阀门形式入口及出口尺寸整车集成热管理系统优化控制及预估效果评估几何模型热物性参数环境条件结构、乘员温湿度条件生热规律结构形式三维建模与热特性分析制冷过程一维动态仿真分析实现：参数匹配、瞬态响应、确定三维模型边界三维建模与热特性分析风扇驱动特性外流场边界输出功率热量(冷凝温度）空气压降制冷剂侧压降蒸发器2蒸发器3四通换向阀膨胀阀膨胀阀膨胀阀流量系数流量系数换热面积表面效率入口及出口尺寸制冷剂侧压降流量系数流量系数换热面积表面效率入口及出口尺寸制冷剂侧压降第13页浙江大学动力机械与车辆工程研究所电机及控制器乘员舱PTC电池热模型几何模型热物性参数生热边界条件动力电池组（一维）热特性生热速率输出功率SOC初值循环工况制冷剂冷量(蒸发温度）输出功率乘员舱温度反馈制冷量（蒸发温度)热量（冷凝温度）电池组温度反馈电机及控制器温度反馈制冷剂冷量（蒸发温度)、热量（冷凝温度）循环工况热量电池温度反馈备用电源压缩机蒸发器1冷凝器空气端散热结构（三维）制冷剂侧压降换热面积表面效率流量系数轴功率输气系数入口及出口尺寸换热面积表面效率流量出口温度质量系数阀门形式入口及出口尺寸整车集成热管理系统优化控制及预估效果评估几何模型热物性参数环境条件结构、乘员温湿度条件生热规律结构形式三维建模与热特性分析加热过程一维动态仿真分析实现：参数匹配、瞬态响应、确定三维模型边界三维建模与热特性分析风扇驱动特性外流场边界输出功率热量(冷凝温度）空气压降制冷剂侧压降蒸发器2蒸发器3四通换向阀膨胀阀膨胀阀膨胀阀流量系数流量系数换热面积表面效率入口及出口尺寸制冷剂侧压降流量系数流量系数换热面积表面效率入口及出口尺寸制冷剂侧压降第14页流程02系统设计流程—解耦设计浙江大学动力机械与车辆工程研究所Ø方法：仿真方法研究l计算策略：纯热热源+热电化学耦合l瞬态分析l一、三维动态响应过程的仿真实现Ø对象：对前期预设的液冷结构进行具体实现和分析l电池组结构、组装模式、连接材料、热载荷边界条件、内/外换热器结构、散热方式Ø工具：CFD通用软件（ANSYSFluent，COMSOL…）第15页流程02解耦设计—电池仿真方法研究浙江大学动力机械与车辆工程研究所2octUQIRITT第16页流程02解耦设计—电池仿真方法研究浙江大学动力机械与车辆工程研究所2、等效热源瞬时规律的经验修正法根据测试得到SOC、电动势、内阻等参数与温度、放电倍率、放电时间的经验曲线，通过UDF写入电芯模型，获得电芯在不同温度、不同放热时间下的瞬时生热率。Ø优点：可获得不同电芯的瞬态放热规律及变化Ø缺点：需要事先针对该电芯进行大量测试，计算精度受测试精度影响；电芯对象改变，需要重新进行测试；无法准确估计电芯内部温度场。资料来源：QianWang等，RenewableandSustainableEnergyReviews64(2016)106–128第17页流程02解耦设计—电池仿真方法研究浙江大学动力机械与车辆工程研究所3、从生热机理出发，将热源解构并分别进行仿真模拟应用电化学模拟获得电池反应热，同时将极化热、内阻热、焦耳热分别施加在电芯对应生热位置。锂离子电池总生热量Qt：Qr正负极化学反应热、Qp极化内阻热、QsSEI膜分解热、Qj欧姆内阻热Ø优点：能更精准地获取电芯内部热状态分布；相对于方法2，无需太多的测试经验值；Ø缺点：需要引入热-电-化学耦合模型，计算复杂程度进一步提升trpsJQQQQQ资料来源：QianWang等，RenewableandSustainableEnergyReviews64(2016)106–128第18页流程02解耦设计—结构设计及优化浙江大学动力机械与车辆工程研究所Ø由机理出发进行的结构设计及优化l电池组/电机/电控内部换热结构p冷板流线型流道设计方法p局部微小结构优化l外部换热器结构形式设计p场协同原理p风扇结构、性能匹配p与整车空气动力性能相耦合的空气侧换热形式设计第19页流程02解耦设计—电池组内部换热结构浙江大学动力机械与车辆工程研究所u在满足换热量的前提下，设计高效、低阻的冷板结构Ø加工工艺的不断提升为冷板形式提供了多种可能；Ø以降低内部流阻为目标，且更好地满足均匀性需求第20页流程02解耦设计—电池组内部换热结构浙江大学动力机械与车辆工程研究所u导热胶、相变材料、热管等将应用为重要的辅助Ø相变材料潜热值大、相变温度覆盖较广Ø热管紧密度大、冷却效率高、长寿命、相对高的热性能相变、热管、导热胶结构平板热管散热器结构第21页流程02解耦设计—外部换热器结构形式设计浙江大学动力机械与车辆工程研究所u结合整车空气动力学的外部换热器形式设计翅片结构形式设计整体换热器结构优化（多尺度耦合分析方法、多物理场协同设计）换热模块与风扇的匹配设计（与整车气动性能综合考虑）管壳式换热单元翅片单元整体协同设计风扇匹配设计单风扇模块双风扇模块四风扇模块六风扇模块第22页流程03系统设计流程——部件集成、匹配、优化浙江大学动力机械与车辆工程研究所u三维重回一维u响应与控制u基于综合效率评估的部件优化第23页流程04系统设计流程——系统实现浙江大学动力机械与车辆工程研究所u引入现实考量p工艺p成本p轻量化p结构强度p密封性指标THREE浙江大学动力机械与车辆工程研究所综合效率评价指标p综合效率无量纲因子p温度均匀性因子p温升预警参数p…工作思路结合企业实际应用需求，为动力电池热管理系统及关键组件提出一些科学性、标准化、通用化的评价指标。第25页指标01综合效率评价指标——j/f因子浙江大学动力机械与车辆工程研究所2/32/31/3NuNujStPrPrRePrRePr212pAfLuj/f:判断热交换结构中，相同流量下换热能力的增加是否大于阻力的增加。j/(f1/2):根据多数情况下压降和速度的平方成正比的特点，定性的判断在相同压降条件下换热能力的增加是否大于阻力的增加。j/(f1/3):根据功耗和速度的三次方成正比的关系，定性的判断在相同泵功条件下换热能力的增加是否大于阻力的增加。第26页指标02综合效率评价指标——温度均匀性因子Ut浙江大学动力机械与车辆工程研究所u温度均匀性因子:描述指定面上的温度分布均匀性假设将某一指定面分成若干等分，每一个单元面为dA，T为单元面dA的平均温度，Tavg为指定面平均温度，则对于某一指定面上温度均匀性有：avgAAtAATTdUdAAavgAATdTd第27页指标03综合效率评价指标——温升预警参数浙江大学动力机械与车辆工程研究所u温升系数/温升预警参数:设温度T随时间φ关系式为T=F(φ)，φ∈[0，a]，F(x)在定义域内连续且可导，设f(φ)=F’(φ)，φ∈[0，a]，则温升系数Ur：00()Urfa1()aniiUrfna，01()aUrfdan加权平均微分形式积分形式()f()if0nia总结FOUR浙江大学动力机械与车辆工程研究所总体目标：规范化、系统化、通用化总体方案：系统-局部-验证/优化-实现总体思路：面向需求，将科研思考与实际应用相结合提出综合效率评价指标，统一评价标准理念分享：基于先进控制算法的两相流冷却系统设计规范化电池模块与冷却系统的组合浙江大学动力机械与车辆工程研究所谢谢！