不同接口形式的電池包出風試驗研究

不同接口形式的電池包出風試驗研究

為了應對日益激烈的燃油供應和環(huán)境污染，世界主要汽車生產(chǎn)國加快了新技術的開發(fā)和工業(yè)化，大力發(fā)展和推廣應用了汽車節(jié)能技術。動力電池作為新能源汽車的關鍵零部件,其性能與壽命對整車影響巨大。電池組的熱管理是混合動力電動汽車和純電動汽車在所有氣候條件下有效運行的保證。車杜蘭等分析了溫度對電池組性能和壽命的影響,介紹了如何設計合適的電池包散熱加熱系統(tǒng);潘宏斌等通過仿真軟件STAR-CD和ANSYS對混合動力客車的電池包散熱進行了仿真分析;帥榮俊等利用紅外熱像儀應用技術對混合動力電動車用Ni-MH電源系統(tǒng)的電池和電池組進行了熱平衡研究;錢舜田等應用有限元軟件ANSYS對動力電池溫度場進行了研究。目前,動力電池組中應用最廣泛的散熱方法是強制風冷散熱。該方法具有結構簡單、成本低和可維護性高等特點,受到動力電池系統(tǒng)供應商和整車廠的青睞。為適應整車實際使用的環(huán)境要求,保持電池系統(tǒng)溫度均勻,國內(nèi)技術人員設計出了多種帶有風冷均衡散熱結構的動力電池組,特別注重電池箱內(nèi)通風散熱結構的設計。由于電池種類、電壓等級和容量等方面的差異,以及安裝位置和安裝空間的限制,電池包的結構和進出風接口形式多種多樣。本文通過對內(nèi)部完全相同而進出風接口形式不同的電池包進行散熱試驗分析,研究進出風接口形式對電池包散熱性能的影響。1電池包的輸入風接口形式1.1電池包的布置方式對于轎車等小型車輛而言,主要將電池包布置在后備廂或座椅下方等部位;對于公交車等大型車輛而言,目前主要將電池包布置在車頂、車底或車尾等部位,車尾的布置方式又有后掀門式和車廂內(nèi)部進入式等。1)車頂布置方式。該布置方式布置空間開闊,利于電池包的排布和拆裝,但需要增加電池包防護罩和隔熱措施,消除太陽暴曬時的不利影響;同時,整車需要增加車頂結構強度和避免超高受限。2)車底布置方式。該布置方式對整車而言相對簡單,易于實施,但電池包安裝不便,一般需要設計抽拉結構或里側(cè)卡槽限位結構;同時,對電池包的防水和防塵等級要求較高,應盡量避免整車通過積水較深的區(qū)域,防止電池包絕緣失效或損壞。3)車尾布置方式。該布置方式中后掀門式安裝維護相對方便,而車廂內(nèi)部進入式不利于電池包的搬運,對電池包的體積和質(zhì)量有所限制,應避免人員通過檢修門隨意進入到電池艙。汪俊等研究了新能源汽車后面碰撞試驗技術,建議新能源汽車應盡量避免將電池箱體布置在后碰變形區(qū)域。1.2試驗電池包出風接口形式設計電池包強制散熱的風源一般來自車廂內(nèi)部風或制冷空調(diào)出風,國內(nèi)北方地區(qū)使用的電池包采用自然風散熱,也能滿足需要。車廂內(nèi)部風或制冷空調(diào)出風相對潔凈,清理進風接口過濾網(wǎng)的周期可適當延長,而利用自然風強制散熱的電池包需要及時清理進風口過濾網(wǎng),以免積塵較多,影響電池包散熱。根據(jù)安裝位置、安裝空間以及強制散熱風源的不同,可將電池包的進出風接口設計成多種形式。本文根據(jù)不同整車要求,設計了3種進出風接口形式的電池包,并通過試驗來對比進出風接口對電池包散熱性能的影響。如圖1所示,試驗電池包采用格柵進風形式,出風采用斜管式接口,可利用軟管將出風排至電池艙外,避免熱風內(nèi)部循環(huán)。電池包的進風接口面積約為6075mm2,適用于引入自然風源散熱的系統(tǒng)。如圖2所示,試驗電池包采用4個直管進風形式,出風接口配置風扇防護網(wǎng),可利用軟管將進風引至電池包內(nèi),避免熱風內(nèi)部循環(huán)。電池包的進風口面積約為6079mm2,其適用于引入車廂內(nèi)部風或制冷空調(diào)出風散熱的系統(tǒng)。如圖3所示,試驗電池包采用3個彎管進風形式,出風接口配置風扇防護網(wǎng),可利用軟管將進風引至電池包內(nèi),避免熱風內(nèi)部循環(huán)。電池包的進風接口面積約為4356mm2,其適用于引入車廂內(nèi)部風或制冷空調(diào)出風散熱的系統(tǒng)。2電池模擬系統(tǒng)模擬每個試驗電池包內(nèi)裝70只40A·h功率的鎳氫電池,采用并行通風散熱方案,配置有管理系統(tǒng),可監(jiān)控7組電池模塊的電池溫度(如圖4所示)。將3個不同進出風接口形式的電池包并排排列,串聯(lián)在同一回路,利用迪卡龍檢測設備,在實驗室內(nèi)對其進行模擬公交運營工況試驗;同時,利用管理系統(tǒng)監(jiān)控存儲試驗過程中采集到的溫度數(shù)據(jù)。2.1電池包的最高溫度評價電池包散熱性能的指標主要有電池的最高溫度和最大溫差(電池包內(nèi)部不同電池之間溫差的最大值)。電池管理系統(tǒng)對這2項指標進行監(jiān)控,其在使用過程中,一旦超過設定值就會進行預警提示,直至故障報警。電池包的最高溫度過大,表明電池包內(nèi)的熱量不能及時散出,冷卻系統(tǒng)需要加強或電池組需要降低功率使用;內(nèi)部最大溫差過大,則體現(xiàn)了電池包內(nèi)單體電池的溫度分布不均衡,需要改善冷卻系統(tǒng),進而提高電池溫度的均勻性。2.2電源系統(tǒng)方案2根據(jù)隨車采集的運營數(shù)據(jù),模擬出某公交運營工況如下。1)電源系統(tǒng)以1C放電至210V。2)電源系統(tǒng)以0.5C充電至SOC為50%。3)電源系統(tǒng)以3.75C放電10s。4)電源系統(tǒng)擱置30s。5)電源系統(tǒng)以2.5C充電15.5s。6)擱置30s。7)重復步驟3~步驟6,循環(huán)120次,停止試驗。2.3電池包的溫度分布圖5所示為模擬工況試驗時,格柵進風接口試驗電池包的溫度分布情況。試驗后半期已達到熱平衡,試驗過程中最高溫度為36℃,最大溫差為3℃。2.4電池包的溫度分布圖6所示為模擬工況試驗時,直管進風接口試驗電池包的溫度分布情況。試驗后半期已達到熱平衡,試驗過程中最高溫度為37℃,最大溫差為3℃。2.5電池包的溫度分布圖7所示為模擬工況試驗時,彎管進風接口試驗電池包的溫度分布情況。試驗后半期也已達到熱平衡,試驗過程中最高溫度為39℃,最大溫差為6℃。2.6彎管進風接口3種不同接口形式的電池包試驗后半期均能達到熱平衡,前2種電池包的最大溫差值為3℃,后一種電池包的最大溫差為6℃,基本達到多數(shù)整車廠家要求的指標。從電池包的溫度分布看,試驗中后期彎管進風接口電池包內(nèi)的最低溫度比其他2種電池包低,而最高溫度比其他2種電池包高,導致最大溫差擴大了近1倍。彎管進風接口直接影響了電池包內(nèi)部通風風向走勢,造成流經(jīng)靠近進風接口處電池模塊的風量減少,流經(jīng)靠近風扇處電池模塊的風量增加,使電池溫度的分化加劇。為提高彎管進風口電池包的溫度均勻性,同時又不影響電池包在整車上的安裝和連接,可在箱體內(nèi)部進風道內(nèi)增加導風板,也可改變彎管進風接口的形狀。改進后的彎管進風接口(其上部尺寸和位置保持不變,下部彎曲部位連接成一體構成緩沖腔)如圖8所示,經(jīng)試驗驗證,其溫度均勻性已接近前2種試驗電池包的水平。3出風接口方式對電池包性能的影響.1)格柵進風接口和直管進風接口2種接口形式的電池包在試驗后半期均已處于熱平衡狀態(tài),最大溫差≤3℃,該電池包的風冷散熱系統(tǒng)可以滿足整車的實際運行要求。2)彎管進風接口電池包的最高溫度和最大溫差均比前2種接口形式的電池包大,最大溫差值擴大近1倍,表明進出