新能源汽車電池熱管理技術
一、技術創新方面
(一)項目背景
1、國家戰略需求
2017年3月1日,工信部、發改委、科技部、財政部四部委發布《促進汽車動力電池發展行動方案》,明確提出,2020年,動力電池系統的能量密度要大于260wh/kg,成本要小于1元/Wh,运用環境達到-30~55℃,充電倍率達到3C。
2、行業及本身發展需求
锂離子電池的本身的溫度保持在20~30℃範圍內最佳,因此高效率成爲電池熱管理系統的發展趨勢。按照效率來分,電池熱管理方案大體分爲自然冷卻、強制風冷、液冷技術及冷媒直冷技術,其中自然冷卻設計最簡單,直冷技術方案設計最複雜、成本最高,目前在市場上並無成熟运用的案例。
同时,截止2016年底,江淮純電動轎車累计产销3.6万辆,基本采用风冷零碎,存在冷却效率较低、零碎温差较大、动力电池的运用工况及运用寿命遭到限制、空间利用率较低,车辆里程遭到一定限值等缺点;在此情况下,为呼应公司对新能源汽车”再造竞争优势”的指示,落实江淮“有技术”方针,进步顾客满意度,迫切需求液冷零碎技术储备,开发液冷动力电池。
(二)項目目標和舉措
1、項目目標
液冷技术是电池热管理零碎的发展趋势,国外Tesla、BMW
i3、通用Volt等车型电池包已采用电池液冷技术,运转波动、可靠。国内车企均在开发,但批量运用较少,在此情况下,我司拟开展液冷动力电池研发项目,完成以下目标:
(1)液冷電池模塊達成各種失效模式下熱失控被動平安;單體熱失穩不會惹起模組及電池包熱失控。
(2)熱管理功能相對風冷系統大幅提升,在極端放電工況、高溫快充、高溫慢充、低溫加熱在方面設定提升目標:
(3)完成整車空調與電池熱管理系統功能婚配與標定。
(4)液冷系統數模凍結,具備下發開模告诉函條件。
(5)完成關鍵部件量産可行性評估及供應商選點。
2、項目措施
針對既定的開發目標,依據NAM流程,確立了提出熱管理系統設計概念方案發布-設計方案發布,A樣結構狀態和初始控制方案發布-熱管理控制策略和功能驗證試驗大綱發布-熱管理功能等確認-SOP的開發流程:
熱管理系統設計概念方案發布:根據系統仿真分析及理論計算,充分對標標杆車型,完成熱管理系統概念方案設計,同時完成熱管理部件的選型;
A樣結構狀態和初始控制方案發布:依托iEV7S整車空間架構,布置各熱管理部件的空間地位;依據動力電池內部結構,布置模組及液冷管路。根據動力電池的运用工況和功能及溫度需求發布初始控制方案;
熱管理控制策略和功能驗證試驗大綱發布:根據整車試驗工況和前期開發積累的試驗經驗,學習德國大衆相關車型的驗證方式,發布功能驗證試驗大綱及熱管理控制策略。
熱管理功能等確認:依據前期發布的試驗大綱,進行充分的試驗驗證及參數標定,直至確認各項功能滿足設計需求。
SOP:完成各項功能確認;各項技術文件如:技術協議、三維數模、二維圖紙、數據確認函、開模告诉函、EV試驗報告等凍結下發,完成SOP。
(三)技術優勢及新技術運用效果
1、技術優勢
相比于上一代的風冷熱管理方式,雖然其技術複雜度與開發難度均有所提升,但是達成效果顯著,系統換熱效率大幅提升。換熱效率地提升能夠確保電池組的工作溫度區間由之前的0~55℃縮短到10~35℃,溫差由17℃縮小到5℃;有效地控制溫差、抑制溫升,對電池組的平安、壽命、充電功能都有極大程度地改善。與此同時,液冷系統與風冷系統相比,在電池包所占的體積更小,電池單體空間利用率更高,能夠實現電池組能量由29kwh提升至40kwh。
液冷技術的具有三大核心優勢:
第一,液冷電池組能夠確保100%的熱失控平安性,電池單體內短路不會形成電池組起火,保障人車平安。
第二,電池工作在更適宜的溫度區間,電池組的壽命能夠提升6%,高低溫充電時間縮短1h。
第三,液冷電池的體積比能量密度更高,整車續駛裏程能夠打破260Km。
2、技術實施效果
(1)平安性
通過優化液冷方案模組,塗覆集流板絕緣漆、添加保險絲、增強模組端板及正極絕熱-片等措施,確保各種失效模式下熱失控被動平安;開發電池平安毛病診斷策略,及時有效的識別和化解潛在平安失效風險,避免電池失火。開展100次模組熱失控平安試驗,全部通過。液冷電池模塊達成各種失效模式下熱失控被動平安,單體熱失穩不會惹起模組及電池包熱失控。
(2)熱功能
熱管理功能相對風冷系統大幅提升,100%達成設計目標,表現在以下方面:
1)極端放電工況
目標:最高車速130km/h,環境溫度40℃,電池包起始溫度35±2℃,整車滿電放電至保護,電池包最高溫度由風冷65℃降低至45℃以內,溫差由10℃降低至5℃。
實際:最高車速130km/h,環境溫度40℃,電池包起始溫度35℃,整車滿電放電至SOC4%,電池包最高溫度降低至45℃,溫差5℃。
2)高溫快充工況
目標:環境溫度爲35±2℃,電池包最高溫度45℃,充電結束電池最高溫度控制在35℃以內,溫差控制在5℃以內,由于熱管理需求導致空調開啓時間由原來的4小時縮短至1小時。
實際:環境溫度爲36℃,電池包溫度40~42℃,充電結束電池最高溫度30℃,溫差0℃,空調開啓時間1小時。
3)高溫慢充工況
目標:環境溫度爲35±2℃,電池包最高溫度45℃,充電結束電池最高溫度控制在35℃以內,溫差控制在5℃以內,由于熱管理需求導致空調開啓時間由原來的4小時縮短至30分鍾。
實際:環境溫度爲35℃,電池包溫度40~42℃,充電結束電池最高溫度30℃,溫差2℃,空調開啓時間21min。
4)低溫加熱工況
目標:環境溫度爲-10℃,電池包溫度爲-8±2℃,加熱速率由風冷系統15min溫升1℃提升至15min溫升7℃,溫差由17℃降低至5℃。
實際:環境溫度爲-15℃,電池包溫度爲-10℃,加熱速率爲10min溫升7℃,溫差5℃。
(3)空調系統婚配
完成整車空調與電池熱管理系統功能婚配與標定:車速最高車速130km/h,環境溫度40℃,電池包起始溫度35±2℃,整車滿電放電至保護,電池包最高溫度控制在45℃以內,溫差5℃,乘員艙制冷滿足Q/JQ8101.11,出風口平均溫度≤15℃。
(4)NVH功能
水泵按照最大占空比開啓,運轉乐音值測試值<39dB(A)。
(5)氣密性
完成電池包內部冷卻管路總成設計開發,針對液冷管21根,快插接頭46個,泄露風險大的風險。通過識別液冷管焊接-量、表面粗糙度等影響要素,實施快插插頭選型、側拉力測試和精度控制攻關,制定零部件進出廠測試標准;確認系統氣密性檢測標准爲2.5bar,走漏量0.5ml/min。
(6)數據凍結
通過電池包試制及整車裝配驗證,完成膨脹水壺、電池冷卻器、水加熱器、内部管路總成、模組總成、殼體總成、液冷管總成及快插管路8個部件數據凍結,具備下發開模告诉函條件。
(7)量産可行性確認
完成電池冷卻器、水加熱器、模組總成、殼體總成、液冷管總成及快插管路6個次要部件量産可行性評估及供應商選點。
曆經概念方案-加熱器更換及進出口地位調整-電池冷卻器更換-水泵地位調整-膨脹水壺設計優化,超過多達20多次的優化,確認液冷系統結構設計方案;通過2套電池包及4輛整車驗證,完成各部件裝配、總成裝配等工藝驗證,確認工藝可行;通過重點開展9項30多次專項試驗驗證,確定系統及部件功能滿足設計需求;通過在試驗開發過程中逐渐優化控制策略和標定參數閥值,策略及軟件已發布;通過5輪CFD仿真分析,有效的指導了結構開發的正常進行,並對試驗驗證結果進行確認;通過溫度分布試驗及開展熱管理功能試驗,已確認高低溫冷卻功能符合設計要求。
构成交付物89份,撰写科技论文八篇:《动力轿车电池包液冷零碎设计》(CN61-1394/TH
汽车适用技术);《一种电动汽车电池组箱体轻量化设计》(CN61-1394/TH
汽车适用技术)等;申请专利十三项:其中一种电动汽车动力电池液冷加热安装、一种电动汽车动力电池液冷板、一种液冷电池包安装、一种液冷电池模块结构设计、一种电池组防撞梁设计等已获受理授权,其它项正在审核中。
|