鋰離子電池包熱管理的要求是根據(jù)鋰離子電池發(fā)熱機(jī)理,合理設(shè)計(jì)電池包結(jié)構(gòu),選擇合適的熱管理方式,合理設(shè)計(jì)熱管理策略,保證電池包內(nèi)各個(gè)單體電池工作在合理溫度范圍內(nèi)的同時(shí)盡量維持包內(nèi)各個(gè)電池及電池模塊間的溫度均勻性。

電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾盹L(fēng)冷與液冷

動(dòng)力蓄電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS,BatteryThermalManagementSystem)對(duì)純電動(dòng)汽車在各種環(huán)境下的動(dòng)力性有至關(guān)重要的影響。通過(guò)研究分析鋰離子電池產(chǎn)熱原理,BTMS傳熱冷卻方式,及風(fēng)冷散熱和液冷散熱方法的比較,說(shuō)明液冷散熱效果好于風(fēng)冷,液冷散熱將是未來(lái)適合復(fù)雜工況的大功率鋰離子動(dòng)力鋰電池熱管理的重要研究方向。

動(dòng)力蓄電池作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源,是提高整車性能和降低成本的關(guān)鍵一環(huán),其溫度特性直接影響電動(dòng)汽車的性能、壽命和耐久性。鋰離子電池因比能大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、允許工作溫度范圍寬、低溫效應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)汽車目前首選的動(dòng)力鋰電池。鋰離子電池包熱管理的要求是根據(jù)鋰離子電池發(fā)熱機(jī)理,合理設(shè)計(jì)電池包結(jié)構(gòu),選擇合適的熱管理方式,合理設(shè)計(jì)熱管理策略,保證電池包內(nèi)各個(gè)單體電池工作在合理溫度范圍內(nèi)的同時(shí)盡量維持包內(nèi)各個(gè)電池及電池模塊間的溫度均勻性。由于電池組中單體電池是互相串聯(lián)的,任何一只電池性能下降都會(huì)影響電池組的整體表現(xiàn)。溫差為5℃、10℃、15℃時(shí),相同充電條件下電池組的荷電態(tài)分別下降10%、15%、20%。

鋰離子電池?zé)崽匦?/p>

電池在充放電過(guò)程中都會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),從而出現(xiàn)熱反應(yīng)。鋰離子動(dòng)力鋰電池的重要產(chǎn)熱反應(yīng)包括:電解液分解、正極分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)、負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)和固體電解質(zhì)界面膜的分解。此外,由于電池內(nèi)阻的存在,電流通過(guò)時(shí),會(huì)出現(xiàn)部分熱量。低溫時(shí)鋰離子電池重要以電阻出現(xiàn)的焦耳熱為主,這些放熱反應(yīng)是導(dǎo)致電池不安全的因素。電解液的熱安全性也直接影響著整個(gè)鋰離子電池的電池動(dòng)力體系的安全性能。

實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中,動(dòng)力系統(tǒng)要鋰離子電池具備大容量與大倍率放電等特點(diǎn),但同時(shí)出現(xiàn)的高溫新增了運(yùn)行危險(xiǎn)。所以,降低鋰離子電池工作溫度,提升電池性能至關(guān)重要。

BTMS傳熱冷卻方式

BTMS中按照能量供應(yīng)的來(lái)源分為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻,其中只利用周圍環(huán)境冷卻的方式為被動(dòng)式冷卻,組裝在系統(tǒng)內(nèi)部的、能夠在低溫情況下供應(yīng)熱源或者在高溫條件下供應(yīng)冷源,主動(dòng)元件包括蒸發(fā)器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等的方式為主動(dòng)式冷卻。按照傳質(zhì)的不同可以分為空氣強(qiáng)制對(duì)流、液體冷卻、相變材料(PCM,PhaseChangeMaterial)、空調(diào)制冷、熱管冷卻、熱電制冷和冷板冷卻等。根據(jù)不同的放電電流倍率、周圍溫度等應(yīng)用要求選擇不同的冷卻方式。

空氣強(qiáng)制對(duì)流

空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接讓空氣穿過(guò)模塊以達(dá)到冷卻、加熱的目的。很明顯空氣自然冷卻電池是無(wú)效的,強(qiáng)制空氣冷卻是通過(guò)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的風(fēng)將電池的熱量經(jīng)過(guò)排風(fēng)風(fēng)扇帶走,需盡可能新增電池間的散熱片、散熱槽及距離,成本低,但電池的封裝、安裝位置及散熱面積要重點(diǎn)設(shè)計(jì)。可以采用串聯(lián)式和并聯(lián)式通道(如圖1所示)。

仿真結(jié)果研究得出了電池的散熱特性:在自然冷卻下熱輻射占整個(gè)散熱的43%~63%強(qiáng)化傳熱是降低最高溫度的有效措施,但擴(kuò)大強(qiáng)化傳熱的范圍并不會(huì)無(wú)限地提高溫度一致性。

風(fēng)冷方式的重要優(yōu)點(diǎn)有:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量相對(duì)較小沒有發(fā)生漏液的可能有害氣體出現(xiàn)時(shí)能有效通風(fēng)成本較低。缺點(diǎn)在于其與電池壁面之間換熱系數(shù)低,冷卻、加熱速度慢。

在串并聯(lián)風(fēng)道中,放置6塊發(fā)熱電池,假設(shè)電池密度均勻(2700kg/m3),熱生成率相同(50000w/m3)?？諝庖?m/s的速度流入,進(jìn)口溫度為25℃(298K),出口自由敞開,電池模型使用結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格,數(shù)量為25萬(wàn)個(gè)。

通過(guò)仿真分析得到電池溫度表格如表1所示。串聯(lián)式流道整體溫差為5.6℃,并聯(lián)式流道整體溫差為3.0℃;串聯(lián)流道中間電池?zé)崂塾?jì)較多,整體溫度較高,一致性較差;并聯(lián)流道整體溫度較低,一致性較好;但因本例入口風(fēng)道為水平直角,故靠近入口電池溫度較高。若將風(fēng)口向上傾斜一定的角度,散熱效果會(huì)更好。因此,改變風(fēng)道設(shè)計(jì),對(duì)電池散熱影響較大。

液體冷卻

在一般工況下,采用空氣介質(zhì)冷卻即可滿足要求,但在復(fù)雜工況下,液體冷卻才可達(dá)到動(dòng)力蓄電池的散熱要求。采用液體與外界空氣進(jìn)行熱交換把電池組出現(xiàn)的熱量送出,在模塊間布置管線或圍繞模塊布置夾套,或者把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中。若液體與模塊間采用傳熱管、夾套等,傳熱介質(zhì)可以采用水、乙二醇、油甚至制冷劑等。若電池模塊沉浸在電介質(zhì)傳熱液體中,必須采用絕緣措施防止短路。傳熱介質(zhì)和電池模塊壁之間進(jìn)行傳熱的速率重要取決于液體的熱導(dǎo)率、粘度、密度和流動(dòng)速率。在相同的流速下,空氣的傳熱速率遠(yuǎn)低于直接接觸式流體,這是因?yàn)橐后w邊界層薄,導(dǎo)熱率高。

液冷方式的重要優(yōu)點(diǎn)有:與電池壁面之間換熱系數(shù)高,冷卻、加熱速度快;體積較小。重要缺點(diǎn)有:存在漏液的可能;重量相對(duì)較大;維修和保養(yǎng)復(fù)雜;要水套、換熱器等部件,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相關(guān)于液體冷卻/加熱,空氣介質(zhì)傳熱效果不是很明顯,但是系統(tǒng)不太復(fù)雜。關(guān)于并聯(lián)型混合動(dòng)力車,空氣冷卻是滿足要求的,而純電動(dòng)汽車和串聯(lián)式混合動(dòng)力車,液體冷卻效果更好(見圖2)。

通過(guò)仿真分析得到電池溫度表格(如表1所示),在不同流道設(shè)計(jì)的情況下,液體冷卻溫度一致性較好。雖然并聯(lián)流道整體溫度低于串聯(lián)流道,溫度僅相差0.4℃。但從實(shí)際與設(shè)計(jì)角度考慮,串聯(lián)流道結(jié)構(gòu)規(guī)整簡(jiǎn)單更適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

目前制造商不愿意選擇液體冷卻是因?yàn)槊芊獠缓脮?huì)導(dǎo)致液體泄漏,所以密封設(shè)計(jì)是極其重要的。

結(jié)論

本文基于有限元仿真軟件,在風(fēng)冷與液冷兩種不同模式不同的流道下,對(duì)電池溫度冷卻效果進(jìn)行比較。通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容研究表明:(1)風(fēng)冷在不同的流道下,對(duì)電池的溫度一致性影響較大,但并聯(lián)流道散熱效果好于串聯(lián)流道;(2)液冷無(wú)論在串、并流道下,對(duì)電池溫度的一致性影響較小,并且整體散熱效果要遠(yuǎn)好于風(fēng)冷方式。隨著電池模塊容量的增大,惡劣環(huán)境下運(yùn)行對(duì)電池性能的要求越來(lái)越苛刻,高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其重要。空氣強(qiáng)制冷卻由于冷卻能力不強(qiáng)只能在小型功率且良好工況下使用;而液冷整體冷卻效果更適用于大型功率或者復(fù)雜工況下使用。因此液冷是未來(lái)電池?zé)峁芾淼闹匾芯堪l(fā)展方向。