车载高功率储能电池箱热管理设计与仿真分析研究

车载高功率储能电池箱热管理设计与仿真分析研究

赵靖 余毅

（四川嘉义新能有限公司，四川 成都610095）

摘要：车载高功率储能电池箱是应用于定向能武器激光防御与毁伤系统或定向能微波防卫系统的大功率供电设备。本文总结以往项目储能电池热管理设计的工作经验，并参考相关设计标准和试验要求，对车载高功率储能电池热管理设计及仿真分析进行梳理，对于相关设计工作有一定的指导作用。

关键词：高功率、车载、储能电池、热管理仿真分析

车载高功率储能电池箱是应用于定向能武器激光防御与毁伤系统或定向能微波防卫系统的大功率供电设备。由于其车载武器装备与大功率储能电池箱特殊性要求，首先需要满足其超低温（-40℃）电池加热和高温下（+50℃）大功率发热器件及电池的散热需求；其次对于车载装备的液冷循环需求及各器件（含电池）的导热传热能力进行分析。通过低温PTC加热和冷液循环达到装备低温快速展开满足任务条件；通过液冷循环或强制风冷达到装备高温完成任务所需持续时长。由于高功率设备其发热量大且短时的特性，宽温域（-40℃~+50℃）使用特性条件下设计可靠、稳定、有效的热管理方式且通过ANSYS仿真软件对热管理效果进行仿真分析及优化实现任务需求。

1 某型车载高功率储能电池箱组成及热管理设计

某型车载高功率储能电池箱主要由钛酸锂电池、液冷板、加热/导热材料、BMS管理系统、箱体等组成。

储能电池箱采用底部液冷冷板散热，内部电池产生的热量主要通过机箱底部液冷板导出，将电池通过支架安装于液冷板，中间填充导热系数≥3.6W/m.K的柔性导热材料，降低界面热阻，增强设备导热性能。电池模组内通过PTC加热膜实现低温环境下电池的加热，同时利用液冷板内的液体对电池进行辅助加热。某型车载高功率储能电池模组热设计如图1所示：

图1 某型车载高功率储能电池模组组成图

某型车载高功率储能电池箱热设计如图2所示：

图2 某型车载高功率储能电池箱组成图

2 某型车载高功率储能电池箱使用环境及工况要求

2.1 -40℃使用工况条件

环境温度-40℃，设备PTC加热总功率3362W（平均值），机箱底部冷却液供液温度在20min内由-40℃升至+25℃，之后供液温度稳定，流量2.5L/min，供液类型为冰点-50℃乙二醇水溶液，计算电池加热至0℃/+5℃所需时间。

2.2 -30℃使用工况条件

环境温度-30℃，设备PTC加热总功率3362W（平均值），机箱底部冷却液供液温度在15min内由-30℃升至+25℃，之后供液温度稳定，流量2.5L/min，供液类型为冰点-50℃乙二醇水溶液，计算电池加热至0℃/+5℃所需时间。

2.3 -15℃使用工况条件

环境温度-15℃，设备PTC加热总功率3362W（平均值），机箱底部冷却液供液温度在8min内由-15℃升至+25℃，之后供液温度稳定，流量2.5L/min，供液类型为冰点-50℃乙二醇水溶液，计算电池加热至0℃/+5℃所需时间。

2.4 +50℃使用工况条件

环境温度+50℃，储能电池箱连续充电放电循环3次，其中充电时长40min,充电时单个电池热耗0.96W（共计120支电池）,放电200S，放电时单个电池热耗16.2W，机箱底部冷却液供液温度+25℃，流量2.5L/min，供液类型为冰点-50℃乙二醇水溶液，计算整个任务工况循环内设备温度分布情况。

3 某型车载高功率储能电池箱热管理仿真分析

3.1工况1仿真分析结果

工况1下温度仿真结果如图3-图4所示，图中标记温度为器件电池电极附件温度：

图3 1070S时器件温度分布

图4 1200S时器件温度分布

3.2工况2仿真分析结果

工况2下温度仿真结果如图5-图6所示，图中标记温度为器件电池电极附件温度：

图5 900S时器件温度分布

图6 1140S时器件温度分布

3.3工况3仿真分析结果

工况1下温度仿真结果如图7-图8所示，图中标记温度为电池电极附件温度：

图7 350S时器件温度分布

图8 460S时器件温度分布

3.4工况4仿真分析结果

环境温度+50℃。根据设计输入设置热耗-时间表，见图9所示（单位长度表示0.96W）。

图9储能电池箱热耗设置

根据电池箱设计方案，建立了热仿真模型。电池及冷板冷却液出口温度随时间的仿真结果如图10所示。其中sensorXX表示所监测电池的极柱温度。由温度-时间曲线可知，在开始充电且冷却液流通后器件温度在短时间内有小幅上升，随后呈下降趋势。经过40min充电后，开始放电，由于放电时电池热耗大大升高，电池温度迅速升高，200s放电后设备再次进入充电过程，电池热耗降低，温度慢慢下降。随着电池热耗的升高和降低，出液口温度亦呈现上升-下降趋势。

温度随时间整体呈现下降趋势，这主要是由于电池热耗较低，同时液冷板为+25℃供液，对电池起散热作用。

图10 储能电池箱温度-时间曲线

图11 7800s器件温度分布云图

4 仿真分析结论及优化处理

根据储能电池箱模块热设计结构方案分析，从图3～图4中可知，储能电池箱在环境温度-40℃内，通过PTC加热膜加热和液冷板中液体辅助加热，约在1070S时，电池极柱附近温度升至0℃附近，约在1200S时，电池极柱附近温度升至+5℃附近；从图5～图6中可知，储能电池箱在环境温度-30℃内，通过PTC加热膜加热和液冷板中液体辅助加热，约在900S时，电池极柱附近温度升至0℃附近，约在1140S时，电池极柱附近温度升至+5℃附近；从图7～图8中可知，储能电池箱在环境温度-15℃内，通过PTC加热膜加热和液冷板中液体辅助加热，约在350S时，电池极柱附近温度升至0℃附近，约在460S时，电池极柱附近温度升至+5℃附近；通过对电池及成组电池模块进行测试和电池参数可知，本项目电池在0℃左右，可满足本项目储能电池系统的全性能工作要求。指标要求在-40℃时，系统需要在20min展开时间后满足全性能工作要求，该热设计满足指标要求；指标要求在-30℃时，系统需要在15min展开时间后满足全性能工作要求，该热设计满足指标要求；指标要求在-15℃时，系统需要在6min展开时间后满足全性能工作要求，该热设计满足指标要求。从图9～图11中可知，储能电池箱在环境温度+50℃内，通过液冷板中液体对电池系统进行散热，经过三次充放电循环后，由于电池下层中心较两端和上层发热较集中且传导较慢，导致下层中心温度较高约+46℃，两端温度约为+38℃，上层温度约为+42℃。电池系统温度整体呈下降趋势，随着连续循环次数增多（即随时间增加），电池温度仍会继续下降。通过对电池及成组电池模块进行测试和电池参数可知，本项目电池在+70℃内，可满足我们电池系统的全性能连续工作要求，该热设计满足指标要求，满足《GJB/Z 35-1993元器件可靠性降额准则》要求，模块的加热和散热设计可以保证模块内部元器件在上述两种条件下，器件结温不超过额定要求，模块功能和性能需满足相关设计要求，储能电池箱的热设计方案可行。

5 参考文献

[1]李继荣、王蓝婧，有限元分析-ANSYS理论与应用[J]，电子工业出版社，2015.8

[2]王莉、何向明、赵云，锂离子电池组设计手册[S].北京：清华大学出版社，2019

[3]GJB 150A-2009标准.军用装备实验室环境试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2009，3~4

[4]GJB/Z35-1993标准.元器件可靠性降额准则[S]. 北京：中国标准出版社，1993

[5]张凯、王欢，储能科学与工程[M].北京：科学出版社，2023

作者简介：

姓名: 赵靖 ，出生年月:（1989年1月22日-），  性别: 男，籍贯: 四川仪陇 ， 毕业院校: 西南石油大学研究生院，现有职称:工程师 ，研究方向:车载／机载／舰载高功率供电系统。