純電動(dòng)車用磷酸鐵鋰電池組的散熱可行性分析

純電動(dòng)車用磷酸鐵鋰電池組的散熱可行性分析

電池?zé)崮Ｐ头治鲭姵厥请妱?dòng)汽車的重要部件之一。電池的性能與電池溫度密切相關(guān)。40~50℃以上的高溫會(huì)明顯加速電池的衰老,更高的溫度(如120~150℃以上)則會(huì)引發(fā)電池?zé)崾Э?。人們設(shè)計(jì)了多種冷卻電池的辦法,如強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷和相變材料吸熱等。但散熱裝置增加了電池組的體積,或消耗了電池的一部分能量。實(shí)際上并不是所有的電動(dòng)車都安裝了冷卻裝置,特別是純電動(dòng)車,例如日產(chǎn)的Leaf純電動(dòng)車。本文中通過測量國內(nèi)某純電動(dòng)車電池組在一定工況下的溫度和性能參數(shù)的變化,建立了電池組的熱模型,借助熱模型,分析了純電動(dòng)車電池組不加冷卻裝置這一方案的可行性。研究對象是出廠不久的一款磷酸鐵鋰電池組,它由100個(gè)相同規(guī)格的單體串聯(lián)而成。據(jù)電池廠家提供的數(shù)據(jù),電池組容量為100A·h,標(biāo)稱電壓為320V,電池工作溫度上限為55℃(以極柱處溫度為代表)。配備該電池組的電動(dòng)車額定電流為50A。電池箱內(nèi)未設(shè)風(fēng)道或其他任何散熱設(shè)施。1電池組熱性能測試以電池箱為研究對象,將電池組視為一個(gè)溫度均勻的整體,忽略體積功,按照熱力學(xué)第一定律有式中:m為電池組質(zhì)量,取310kg;Cp為電池組比熱容,對磷酸鐵鋰電池,采用量熱器測量得出25℃時(shí)Cp=955.4J·kg-1·K-1;Tbat為電池組溫度,取電池組某節(jié)電池極柱溫度為代表;t為時(shí)間;qgen為電池組產(chǎn)熱速率;qdis為電池組散熱速率。因?yàn)閙、Cp、Tbat和t為已知量或可通過測量直接獲得,因此只要求得qgen和qdis,即可建立電池組的熱模型。1.1不可逆產(chǎn)熱和可逆產(chǎn)熱兩種熱價(jià)值的測試,其符合以下兩種原理電池產(chǎn)熱估算最常用的是Bernardi公式:式中:IL為負(fù)載電流;E0為開路電壓;UL為負(fù)載電壓?？梢婋姵禺a(chǎn)熱由兩項(xiàng)組成,第一項(xiàng)是不可逆產(chǎn)熱,第二項(xiàng)是可逆產(chǎn)熱。不可逆產(chǎn)熱又可以表達(dá)為IL2R,其中R為電池內(nèi)阻,可以通過試驗(yàn)測得。試驗(yàn)表明,可逆產(chǎn)熱項(xiàng)中的dE0/dTbat是SOC的函數(shù),在大部分SOC范圍內(nèi)其值小于2×10-4V·K-1,由此計(jì)算得知:可逆產(chǎn)熱小于不可逆產(chǎn)熱的2%,尤其是在大于等于1C的大電流工況下,因此可逆產(chǎn)熱項(xiàng)可忽略不計(jì),而按以下公式估算電池產(chǎn)熱速率:1.2tbat的1階微分方程忽略電池的自耗散,當(dāng)流經(jīng)電池的電流為0時(shí),產(chǎn)熱為0,則式(1)變?yōu)殡姵叵浞旁谑覂?nèi),與周圍空氣通過自然對流方式換熱,則散熱速率可以表達(dá)為式中:K=hA,h為對流換熱系數(shù),A為形狀因子。K與空氣流動(dòng)、電池與空氣溫差等因素相關(guān),是個(gè)隨時(shí)間變化的量。在這里設(shè)K在一定時(shí)間范圍內(nèi)固定不變。聯(lián)立式(4)和式(5),解關(guān)于Tbat的1階微分方程,在Tair為常數(shù)的條件下,得到式中有兩個(gè)未知數(shù):常數(shù)C1與K。選取一定時(shí)間范圍內(nèi)的兩個(gè)點(diǎn),代入Tbat和Tair,解方程組即可求得C1和K。2試驗(yàn)與結(jié)果分析2.1基準(zhǔn)電流放電后電池soc下降內(nèi)阻測試采用文獻(xiàn)中的PeakPower測試進(jìn)行,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)充電方法將電池充滿電。電池以最高脈沖電流(2C)放電30s,再以基準(zhǔn)電流(28.57A)放電1050s,使電池SOC剛好下降0.1。循環(huán)10次使電池SOC從1下降為0。注意在第一次放電前,先以基準(zhǔn)電流放電30s。記錄電流和電壓的變化。并按以下公式計(jì)算得到內(nèi)阻:式中:ΔU為每個(gè)循環(huán)中以基準(zhǔn)電流放電最后時(shí)刻與最高脈沖電流放電最后時(shí)刻的電壓之差;ΔI為基準(zhǔn)電流與最高脈沖電流之差。測試得到內(nèi)阻R與SOC的關(guān)系如圖1所示。2.2次測試測試用充放電的辦法加熱電池,擱置15h。測量記錄電池極柱溫度和環(huán)境溫度的變化。重復(fù)進(jìn)行3次測試。將整個(gè)時(shí)間域以30min為單位劃分為若干個(gè)時(shí)間段,在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)按照1.2中的方法計(jì)算,得到的K/mCp如圖2所示,用曲線擬合的方法擬合得式中:ΔT為電池溫度與環(huán)境空氣溫度之差,ΔT=Tbat-Tair。3熱模型的建立根據(jù)電池箱的發(fā)熱與散熱數(shù)據(jù),即qgen和qdis,按照式(1)建立電池箱的熱模型。由于試驗(yàn)條件限制,無法對電池內(nèi)部溫度進(jìn)行測量,只測量了電池極柱處的溫度作為代表。由于電池內(nèi)部溫度變化傳到極柱需要一定時(shí)間,是一個(gè)三維導(dǎo)熱問題。為簡化計(jì)算,在建立熱模型時(shí)以一個(gè)1階慣性環(huán)節(jié)表示這個(gè)導(dǎo)熱過程:式中:t為時(shí)間常數(shù),t=900s。通過Matlab/Simulink建立仿真模型來進(jìn)行仿真分析。當(dāng)電池初始溫度和環(huán)境溫度均為27.5℃,放電電流為1C(100A),放電1h并擱置10h,實(shí)際測量得到的溫度曲線與利用模型計(jì)算得到的曲線對比如圖3所示。由圖可見:理論與實(shí)際溫度相差最大不超過0.4℃,對于本文中的分析目標(biāo),這個(gè)模型的誤差在允許范圍之內(nèi)。4電池初始溫度假設(shè)電池箱體與外界絕熱,即對流換熱系數(shù)h=0。根據(jù)模型計(jì)算得到的新電池組在1C放電倍率時(shí)的最高溫升約為13℃。這也是在極端條件下電池的溫升(最大放電電流,最差散熱條件下)。在城市工況下運(yùn)行,電池的放電倍率較低,溫升會(huì)更小。如果保證電池初始溫度在適合的溫度下(在環(huán)境好的條件下慢充以及換電模式下比較容易保證),電池放電結(jié)束時(shí)最高溫度也不會(huì)很高。一般我國夏季最高環(huán)境溫度在40℃左右,以此作為電池的初始溫度(在環(huán)境溫度36℃的晴朗天氣條件下,本課題組將電動(dòng)車置于水泥路面上暴曬,測得電池箱內(nèi)溫度約為38℃),該電池所能達(dá)到的最高極限溫度約為53℃。如果車輛行駛,空氣的流動(dòng)使對流換熱的效果更好,溫升會(huì)低一些。對于本文中所研究的電池組,假設(shè)只有箱底面與空氣接觸,空氣溫度40℃,底面面積為A=1.19m2,當(dāng)車速達(dá)到10m/s時(shí)雷諾數(shù)Re=1.5×106,因此流過底面的氣流兼有層流段和湍流段。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算努塞爾數(shù):式中:Pr為普朗特?cái)?shù),取0.7;λ為導(dǎo)熱系數(shù),取2.76×10-2W·m-1·K-1;l為電池箱長度方向尺寸,l=2.35m。計(jì)算得h=33.3W·m-1·K-1。將h和A代入模型,可得到如圖4所示的溫度變化曲線。在電池初始溫度和環(huán)境溫度都為40℃條件下,車輛以10m/s速度運(yùn)行,電池最高溫升約為8.5℃。最終溫度為48.5℃,在電池的放電溫度范圍之內(nèi),但是高溫會(huì)影響電池的壽命。同時(shí)電池內(nèi)阻隨使用時(shí)間增長而增加,在使用年限后期內(nèi)阻甚至?xí)黾拥诫姵爻跏純?nèi)阻的1.8倍左右,對于所研究的磷酸鐵鋰電池,1C放電,絕熱條件下電池最高溫升將達(dá)到24℃左右。如果電池初始溫度為40℃,電池最終工作溫度將超過廠家規(guī)定的運(yùn)行安全的上限,不利于電池安全?？梢?隨著電池性能的衰減,電池內(nèi)阻增大,電池溫升大幅增加,故電池必須考慮散熱問題。5電池散熱裝置剛投入使用的鋰離子電池內(nèi)阻小(特別是性能好的電池),溫升小,特別是在城市工況下運(yùn)行,如果電池初始溫度不高(在環(huán)境好的條件下慢充以及換電模式下),可以不安裝散熱裝置,但在極熱環(huán)境和電池起始溫度很高的情況下,再加上