动力电池电气系统安全设计(二十三)防凝露设计之热管理调控

凝露的核心诱因是电池包内部气温与箱体的温差达到凝露阈值,因此也可以通过优化热管理系统的策略,来减弱和防止凝露产生。

本文介绍两种热管理防凝露的调控方法:温差控制和凝露质量控制。

动力电池电气系统安全设计(二十三)防凝露设计之热管理调控

一、温差控制方法: 

热管理温差控制原理是通过实时监测并调节 “电池包内部温度” 与 “箱体温度”,确保两者温差始终小于凝露的临界值(如 5-8℃,根据工况预设),具体实施分为三个步骤:

1、采集温度

通过温度传感器采集电池包内部温度(电芯周边或内部空气温度,反映水汽温度)、箱体温度(箱盖 + 下箱体内壁温度,凝露容易形成的区域),部分方案会取箱体各区域温度最小值或平均值,避免遗漏局部的低温;

2、温差判断

仅当 “内部温度>箱体温度” 时启动调节(低温水汽不会在高温壁面液化):

若温差≥临界值,立即调节;

若温差<临界值,需跟踪温差变化趋势,若呈增大趋势则提前干预,反之则暂不动作;

3、温度调节

采用现有热管理部件,内部温度过高时,启动冷却板降低内部空气温度;

箱体温度过低时,通过箱盖 / 下箱体的加热膜加热,优先调节凝露高发的箱盖区域,局部升温。

4.缺点

温差控制的核心是 “预设凝露临界温差”(如 5-8℃),但该阈值受环境湿度影响很大大,固定阈值无法适配国内南北差异的工况:

高湿环境(如南方梅雨季节,相对湿度差不多 90%):即使内部与箱体温差仅 3℃,高湿空气中的水汽也易在箱体壁液化凝露;但预设临界温差若为 5℃,会判定 “无风险”,不启动调节;

低温干燥环境(如北方冬季,相对湿度常常低于 30%):即使温差达 8℃,低湿空气水汽含量少,难形成凝露,但预设阈值若为 5℃,就会启动没有必要的加热 / 冷却操作。

简而言之,温度及温差控制由于没有关联湿度参数,仅靠固定温差阈值来判断,容易在极端湿度环境下误判或过度操作。

还有,由于加热膜存在一定的安全风险,电池包内现在越来越少使用了。

二、凝露质量控制方法 

电池包内增加湿度传感器,根据电池包内的温度湿度数据,计算出来凝露质量,结合阈值判定凝露风险等级,采用不同的除湿策略。(参考宁德时代 CN202311125355专利,凝露质量确定方法、装置、计算机设备和存储介质):

1、凝露质量计算

先通过温度传感器、湿度传感器,采集电池内部空间至少两个时刻的温度与相对湿度,按 “温度算饱和水汽压→结合相对湿度算空气中水汽压→温度与水汽压算绝对湿度” 的步骤,得到两时刻绝对湿度;

1)先算绝对湿度:

依电池内部温度,先通过下面公式计算出饱和水汽压

动力电池电气系统安全设计(二十三)防凝露设计之热管理调控

再结合相对湿度计算空气中的水汽压

动力电池电气系统安全设计(二十三)防凝露设计之热管理调控

最后得到绝对湿度(单位 g/m³)用公式:

动力电池电气系统安全设计(二十三)防凝露设计之热管理调控

2)然后计算凝露质量:

结合绝对湿度与内部空间体积,计算凝露质量,可分三种计算方式:

①差值法:

计算两个时刻绝对湿度的差值,乘以内部空间总体积,结果即为两个时刻之间产生的凝露质量,适用于静态驻车的场景。

②积分法

针对充放电的动态场景,可以按 1-5 秒间隔高频,采集多个时刻温度湿度,计算对应的绝对湿度;

对多个时刻的绝对湿度与内部空间体积进行积分(工程中通过离散求和近似),动态跟踪凝露质量的变化。

③子空间法

将内部空间划分为多个均匀或不均匀子空间,每子空间单独设置传感器采温度湿度,并计算绝对湿度;

用差值法或积分法得到各子空间 “凝露质量”,再对所有子空间凝露质量求和,此方法适合用于内部温度湿度不均匀的复杂空间。

2、分层控制策略

预设三档凝露质量阈值,对不同阈值区间采取不同措施: 

少量凝露:第二阈值>凝露质量≥第一阈值,仅输出提示信息;

较多凝露:第三阈值>凝露质量≥第二阈值且,提示转移至干燥环境;

高危凝露:凝露质量≥第三阈值,在车辆满足预设的非驻车、组件参数正常等条件下,触发除湿操作。

三、除湿方法

当凝露质量达到高危凝露时,可以通过下面三种方式快速降湿,

前两个方式通过加热空气,水份以水汽方式,随着电池包呼吸效应的排气过程排出;

后一个通过液冷版的降温主动凝结水份为液态水露水,此方式需要配置集水槽和单向阀把水排出:

1、电池充放电加热

利用电池自身的发热来提升内部空气的温度,控制电池以 “最大充电功率的 1/3 倍率” 充电或 “最大放电功率的 1/3 倍率” 放电,适用于电量充足且无需紧急除湿场景;

2、热管理系统加热

启动电池的热管理系统,直接对内部空间加热,升温速度快且不额外消耗电池电量,适于电量较低但需要快速控湿的场景;

3、热管理系统制冷 + 单向阀排水

此方式属于主动的定向凝露,需要设计凝露点和排水通道。

热管理系统以预设功率进入制冷模式,使湿热空气在液冷板表面凝结成液态露水,凝露沿斜坡模块流入单向阀(含弹簧模块、开关模块),积水达到一定程度,重力压迫弹簧开启阀门,从而积水排出箱外;

动力电池电气系统安全设计(二十三)防凝露设计之热管理调控

排水后弹簧回弹关闭阀门,保持箱体密封,避免外部水汽侵入。

动力电池电气系统安全设计(二十三)防凝露设计之热管理调控

上篇文章的小米SU7的积水槽是不是也是这个原理呢?大家可以讨论下!

动力电池电气系统安全设计(二十三)防凝露设计之热管理调控

上述所有除湿操作都要设置停止条件,满足条件即终止操作:内部温度≥40℃(防止过热)、相对湿度≤30%(湿度达标)、电池电量≤20%(防止亏电)。

文章部分来源专利:宁德时代 CN202311125355,凝露质量确定方法、装置、计算机设备和存储介质、亿纬锂能 CN202311440502一种电池包温度控制方法

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. user1546

    讲的不错

  2. user732

    值得学习

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