电动汽车BMS从控板热分析及散热优化

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.01.014

摘要/Abstract

摘要：

针对电动汽车电池管理系统从控板服役过程中因温度过高和不均影响整车动力性、安全性问题，本文基于CFD理论，采用Icepak软件建立并验证了某商用BMS从控板热分析模型。首次在车载服役条件下，基于热分析模型开展了温度场分析和热均匀性优化研究。BMS从控板热仿真分析表明，均衡模块及供电模块因局部积热温度均超过BMS的设计温度限值60 ℃，整个BMS从控板最大温差为21.0 ℃。为此，进一步开展了BMS从控板散热路径分析，并通过改变均衡电阻间距、布局、PCB基材以及增设导热硅胶垫进行散热优化设计。提高了BMS从控板的散热能力，使BMS从控板的最高温度控制在设计规定值60 ℃以下，同时整个电路板的温差降为6.9 ℃，提高了BMS从控板在实际车载服役条件下的安全性和可靠性，可望为BMS从控板热设计与优化提供理论方法。

关键词: 新能源电动汽车, BMS从控板, 热分析, 散热优化

Abstract:

For the problem of high temperature and uneven distribution affecting the power and safety of the electric vehicle during the battery management systems slave control board's service， a commercial BMS slave control board thermal analysis model is built and verified using the CFD theory and Icepak software. For the first time under vehicle service conditions， temperature field analysis and thermal uniformity optimization research are carried out based on the thermal analysis model. The BMS slave control board thermal simulation analysis shows that the balancing and power supply modules exceed the BMS's design temperature limit of 60 °C due to local heat accumulation， with the maximum temperature difference of the entire BMS slave control board being 21.0 ℃. A heat dissipation path analysis of the BMS slave control board is further carried out， and heat dissipation optimization design is realized by altering the distance， layout of the balancing resistor， PCB substrate and adding thermal pads. By increasing the heat dissipation capacity of the BMS slave control board， the highest temperature of the BMS slave control board can be controlled below the design limit of 60 ℃， and the temperature difference of the entire circuit board can be reduced to 6.9 ℃， which enhances the safety and reliability of the BMS slave control board under actual vehicle service conditions， providing theoretical methods for the thermal design and optimization of the BMS slave control board.

Key words: new energy electric vehicles, battery management system slave control board, thermal analysis, heat dissipation optimization

原江鑫, 何莉萍, 李耀东, 李罡. 电动汽车BMS从控板热分析及散热优化[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 128-138.

Jiangxin Yuan, Liping He, Yaodong Li, Gang Li. Thermal Analysis and Optimization Design of a BMS Slave Unit for Electric Vehicles[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(1): 128-138.

图/表 25

图1

图2

图3

图4

表1

表2

图5

图6

图7

表3

图8

表4

图9

图10

表5

图11

图12

图13

表6

表7

图14

表8

图15

图16

图17

参考文献 24

1	何向明，冯旭宁，欧阳明高. 车用锂离子动力电池系统的安全性［J］.科技导报， 2016， 34（6）： 32-38.
	HE X M， FENG X N， OUYANG M G. Safety of lithium-ion power battery systems for vehicles［J］. Science & Technology Review， 2016， 34（6）： 32-38.
2	胡晓松，唐小林. 电动车辆锂离子动力电池建模方法综述［J］. 机械工程学报， 2017， 53（16）： 20-31.
	HU X S， TANG X L. Review of modeling techniques for lithium-ion traction batteries in electric vehicles［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2017， 53（16）： 20-31.
3	XU G， DU X， LI Z， et al. Reliability design of battery management system for power battery［J］. Microelectronics Reliability， 2018， 88-90： 1286-1292.
4	廖晓军，何莉萍，钟志华，等. 电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势［J］. 汽车工程， 2006，28（10）： 961-964.
	LIAO X J， HE L P， ZHONG Z H， et al. A review of battery management system［J］. Automotive Engineering， 2006， 28（10）： 961-964.
5	CUI Y， LIN K， ZHU J， et al. Quantum-inspired degradation modeling and reliability evaluation of battery management system for electric vehicles［J］. Journal of Energy Storage， 2022， 52： 104840.
6	MARCOS D， GARMENDIA M， CREGO J， et al. Functional safety BMS design methodology for automotive lithium-based batteries［J］. Energies， 2021， 14（21）： 6942.
7	SHU X， YANG W， GUO Y， et al. A reliability study of electric vehicle battery from the perspective of power supply system［J］. Journal of Power Sources， 2020， 451： 227805.
8	LIN K， CHEN Y， LIU Y， et al. Reliability prediction of battery management system for electric vehicles based on accelerated degradation test： a semi-parametric approach［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（11）： 12694-12704.
9	GABBAR H A， OTHMAN A M， ABDUSSAMI M R. Review of battery management systems （BMS） development and industrial standards［J］. Technologies， 2021， 9（2）： 28.
10	华旸，周思达，何瑢，等. 车用锂离子动力电池组均衡管理系统研究进展［J］. 机械工程学报， 2019， 55（20）： 73-84.
	HUA Y， ZHOU S D， HE R， et al. Review on lithium-ion battery equilibrium technology applied for EVs［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2019， 55（20）： 73-84.
11	蔡敏怡，张娥，林靖，等. 串联锂离子电池组均衡拓扑综述［J］. 中国电机工程学报， 2021， 41（15）： 1-21.
	CAI M Y， ZHANG E， LIN J， et al. Review on balancing topology of lithium-ion battery pack［J］. Proceedings of the CSEE， 2021， 41（15）： 1-21.
12	DAS U K， SHRIVASTAVA P， TEY K S， et al. Advancement of lithium-ion battery cells voltage equalization techniques： a review［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2020， 134： 110227.
13	HOQUE M M， HANNAN M A， MOHAMED A， et al. Battery charge equalization controller in electric vehicle applications： a review［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017， 75： 1363-1385.
14	LAKSHMINARAYANAN V， SRIRAAM N. The effect of temperature on the reliability of electronic components［C］. 2014 IEEE International Conference on Electronics， Computing and Communication Technologies （CONECCT）， 2014： 1-6.
15	OTIABA K C， EKERE N N， BHATTI R S， et al. Thermal interface materials for automotive electronic control unit： trends， technology and R&D challenges［J］. Microelectronics Reliability， 2011， 51（12）： 2031-2043.
16	ZVEI. Handbook for robustness validation of automotive electrical/electronic modules［M］. Germany， 2008.
17	熊瑞，李幸港. 电池管理系统被动均衡电路的热仿真研究［C］. 2019中国汽车工程学会年会论文集， 2019： 4.
	XIONG R， LI X G. Thermal simulation of passive equalization circuit in battery management system［C］. Proceedings of 2019 Annual Meeting of China Society of Automotive Engineering， 2019： 4.
18	PATTNAYAK R A， VIJAY T. Thermal analysis of cell balancing for battery management system in electric vehicle［C］. 2020 26th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems （THERMINIC）， 2020： 1-7.
19	ABRONZINI U， DI MONACO M， PORPORA F， et al. Thermal management optimization of a passive BMS for automotive applications［C］. 2019 AEIT International Conference of Electrical and Electronic Technologies for Automotive （AEIT AUTOMOTIVE）. Turin， Italy： IEEE， 2019： 1-6.
20	MAHAMUD R， PARK C. Reciprocating air flow for Li-ion battery thermal management to improve temperature uniformity［J］. Journal of Power Sources， 2011， 196（13）： 5685-5696.
21	PARK C， JAURA A. Dynamic thermal model of Li-ion battery for predictive behavior in hybrid and fuel cell vehicles［J］. SAE Transactions， 2003， 112： 1835-1842.
22	彭妙颜. 电子设备结构与工艺［M］. 成都：西南交通大学出版社， 2000.
	PENG M Y. Electronic equipment structure and processes［M］. Chengdu： Sounthwest Jiaotong University Press， 2000.
23	ANSYS， Inc，. ANSYS Icepak user’s guide［M］. Release 2021 R2， 2021.
24	唐广笛，张天昊，章桐. 面向大功率芯片散热的电动汽车电机控制器结构优化［J］. 电机与控制应用， 2020， 47（10）： 80-84.
	TANG G D， ZHANG T H， ZHANG T. Structural optimization of motor controller in electric vehicle aiming at high-power chips cooling［J］. Electric Machines & Control Application， 2020， 47（10）： 80-84.

元器件编号	器件类别	功耗/ mW
R1， R3， R5， R7， R9， R11， R13， R15	均衡电阻	0
R2， R4， R6， R8， R10， R12， R14， R16	均衡电阻	235.2
U1	主控芯片	38.5
R52，R54	负载电阻	9.8
Q17	三极管	407.4

器件类别	主要材料	导热系数/（W?m^-1?K^-1）
PCB	FR-4，铜	25.23 （XY） 0.37 （Z）
主控芯片	封装树脂	47.90
均衡电阻/负载电阻	氧化铝陶瓷	24.70
三极管	封装树脂	113.30
外壳	AL 6061-T6	154.00

元器件编号	试验结果/ ℃	仿真结果/ ℃	相对误差/%
R2	50.9	51.8	1.8
R4	52.8	53.3	1.0
R6	54.5	54.2	0.6
R8	54.6	54.5	0.2
R10	55.1	54.6	0.9
R12	55.3	54.4	1.6
R14	53.0	53.9	1.7
R16	51.7	52.6	1.7
U1	40.6	39.5	2.7
Q17	49.4	48.9	1.0

元器件编号	温度/°C
R2	70.2
R4	71.6
R6	72.4
R8	72.8
R10	72.9
R12	72.7
R14	72.1
R16	70.9
R52	60.1
R54	59.3
U1	56.9
Q17	67.5

元器件编号	Layout 1	Layout 2	Layout 3	Layout 4	Layout 5
R2	69.5	69.6	69.6	69.0	69.2
R4	69.7	70.3	69.5	70.0	69.9
R6	70.4	69.9	70.5	69.9	69.3
R8	70.1	70.6	70.1	70.6	70.0
R10	70.8	70.3	70.7	70.3	69.7
R12	70.4	70.7	70.4	70.8	70.2
R14	70.8	70.4	70.4	70.2	70.1
R16	70.2	70.1	69.8	70.2	70.5
R52	60.2	60.3	60.3	60.2	60.3
R54	59.4	59.5	59.5	59.4	59.5
U1	56.8	56.8	56.8	56.8	56.8
Q17	67.3	67.4	67.4	67.3	67.4