純電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的應(yīng)用

純電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的應(yīng)用

作為純電動(dòng)汽車（ev）的動(dòng)力來源，動(dòng)態(tài)蓄能儀是提高車輛性能和降低成本的重要因素。它的溫度特征直接影響到ev的性能、長(zhǎng)度和耐用性。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EV目前首選的動(dòng)力蓄電池。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。1離子電池的熱特性1.1固體電解質(zhì)界面膜的制備電池在充放電過程中都會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生反應(yīng)熱。鋰離子動(dòng)力電池的主要產(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,電流通過時(shí),會(huì)產(chǎn)生部分熱量。低溫時(shí)鋰離子電池主要以電阻產(chǎn)生的焦耳熱為主,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)需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)產(chǎn)生的高溫增加了運(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。1.2電池?zé)嵩吹拇_定電池的反應(yīng)熱用Qr來表示;由電池極化引起的能量損失用Qp來表示;電池內(nèi)存在典型的電解液分解和自放電副反應(yīng),副反應(yīng)引起的能量損失用Qs表示;電池的電阻產(chǎn)生焦耳熱為Qj。則,一個(gè)電池總熱源可由以下公式來表示:式中:V為平均產(chǎn)熱速率;Q為電池工作時(shí)間內(nèi)電池的總熱量;t為電池工作時(shí)間。電池的平均產(chǎn)熱速率(W)=產(chǎn)生的熱量(J)/循環(huán)時(shí)間(s),則由以下公式表示:2主動(dòng)元件冷卻自適應(yīng)證BTMS中按照能量提供的來源分為被動(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、能夠在低溫情況下提供熱源或在高溫下提供冷源,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。2.1電池冷卻液的熱管理空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接讓空氣穿過模塊以達(dá)到冷卻、加熱的目的。很明顯空氣自然冷卻電池是無效的,強(qiáng)制空氣冷卻是通過運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)將電池的熱量經(jīng)過排風(fēng)風(fēng)扇帶走,需盡可能增加電池間的散熱片、散熱槽及距離,成本低,但電池的封裝、安裝位置及散熱面積需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)?？梢圆捎么?lián)式和并聯(lián)式通道,如圖1所示。Chen等提出了精確的和簡(jiǎn)化的模型,仿真結(jié)果研究得出了電池的散熱特性:1)在自然冷卻下熱輻射占整個(gè)散熱的43%~63%;2)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)無限地提高溫度一致性。KennethJ.Kelly等利用空氣強(qiáng)制冷卻方法對(duì)豐田Prius和本田Insight混合動(dòng)力車用電池進(jìn)行熱管理,分別在0、25、40℃下以FTP-75和US06循環(huán)工況測(cè)試熱電偶分布點(diǎn)的溫升,并且控制風(fēng)扇從低功率4W到中等功率14W,實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明US06工況(包括更多的加速、減速和高速運(yùn)行條件)下電池溫升明顯比FTP-75工況下高,但溫升都在5℃之內(nèi)。此外,Mao-SungWu等驗(yàn)證在極端條件下,尤其在高放電倍率、高的運(yùn)行環(huán)境溫度(>40℃)時(shí),空氣冷卻不再適用,而且電池表面的不均勻性也成為必然。PaulNelson等提出對(duì)于正常運(yùn)行需要25kW的電堆,-30℃時(shí)冷啟動(dòng)只需要5kW,但是電池不能通過自身的I2R來實(shí)現(xiàn)快速加熱。在這種情況下,他們提出了兩種可能的加熱方式:(1)電池包內(nèi)固定電熱絲;(2)以熱傳遞的形式加熱電池冷卻液。由于空氣很難快速加熱電池,我們可以考慮利用高傳導(dǎo)率的液體來實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾怼?.2空氣介質(zhì)及熱管理系統(tǒng)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)行熱交換把電池組產(chǎn)生的熱量送出,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)行傳熱的速率主要取決于液體的熱導(dǎo)率、粘度、密度和流動(dòng)速率。在相同流速下,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。Pesaran等討論了液體冷卻與空氣冷卻、冷卻及加熱與僅有冷卻系統(tǒng)的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)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。對(duì)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)型混合動(dòng)力車,液體冷卻效果更好。DavidR.Pendergast等利用松下(CGR18650E)單元電池包裹在三角形鋁模塊中,然后放在水中。該系統(tǒng)理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說明電池棒內(nèi)溫度不會(huì)低于/高出工作溫度范圍(-20~60℃),該實(shí)驗(yàn)可被認(rèn)為是簡(jiǎn)單的水冷卻系統(tǒng)。PaulNelson等分別用空氣和聚硅酮電解流體作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻介質(zhì),驗(yàn)證了電解流體能顯著降低電池過高的溫度,還可以使電池模塊有較好的溫度一致性,此外,聚硅酮電解流體也因不溶于水而更加安全。張國(guó)慶等設(shè)計(jì)了一種液體冷卻與相變材料冷卻結(jié)合的裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車電池在比較惡劣的熱環(huán)境下電池裝置整體有效地降溫,又能滿足各單體電池間溫度分布的均衡,同時(shí)易循環(huán)利用,從而達(dá)到最佳運(yùn)行條件,并降低成本,增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性。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。2.3相變材料熱管理一個(gè)理想的熱管理系統(tǒng)應(yīng)該能以低容積,減少質(zhì)量及成本增量的情況下維持電池包在一個(gè)均勻溫度。就鼓風(fēng)機(jī)、排風(fēng)扇、泵、管道和其他附件而言,空氣冷卻和液體冷卻熱管理使得整個(gè)系統(tǒng)笨重、復(fù)雜、昂貴。相變材料由于其巨大的蓄熱能力,開始被應(yīng)用于動(dòng)力電池包熱管理系統(tǒng),相變冷卻機(jī)理是靠相變材料的熔化(凝固)潛熱來工作,利用PCM作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí),把電池組浸在PCM中,PCM吸收電池放出的熱量而使溫度迅速降低,熱量以相變熱的形式儲(chǔ)存在PCM中,在充電或很冷的環(huán)境下工作時(shí)釋放出來。在相變材料電池?zé)峁芾碇?所需的PCM質(zhì)量計(jì)算如下:式中:Qdis(J)是電池釋放的熱量;MPCM(kg)是相變材料質(zhì)量;Cp(J·kg-1·K-1)是相變材料的比熱;Tm(℃)是相變材料初始溫度;H(J·kg-1)相變材料的相變潛熱。SelmanandAl-Hallaj等比較了四種不同模式散熱的實(shí)驗(yàn):1)自然冷卻;2)發(fā)泡鋁矩陣熱傳遞;3)相變材料石蠟冷卻;4)結(jié)合發(fā)泡鋁和相變材料。結(jié)果證明把石蠟與發(fā)泡鋁的結(jié)合能更有效改善PCM低導(dǎo)熱能力的問題,冷卻效果最好,且達(dá)到了電池模塊溫度一致,效果對(duì)比如圖2所示。KizilelR等通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了利用相變材料對(duì)高能量鋰離子電池包在一般和強(qiáng)化工況下熱管理的有效性,并使用相變材料對(duì)一個(gè)緊湊的18650電池(4S5P)模塊進(jìn)行熱管理,說明了如果使用被動(dòng)熱管理系統(tǒng),電池包有可能獲得溫度一致性。SabbahRami等通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比了PCM和空氣強(qiáng)制冷卻的效果,證明了在6.67C(10A/cell)倍率持續(xù)放電下PCM冷卻能保持電池在55℃以下。在寒冷的條件或電池溫度顯著下降的應(yīng)用場(chǎng)合時(shí),PCM對(duì)于電動(dòng)汽車是非常有利的,因?yàn)榇鎯?chǔ)在相變材料里的小部分潛熱會(huì)被傳遞到周圍空間。當(dāng)電池溫度下降到PCM熔點(diǎn)以下時(shí),存儲(chǔ)的熱量就會(huì)傳遞到電池模塊中。2.4熱管能降低電池溫升熱管是由R.S.Gaugler在1942年提出的利用相變來傳熱的一種熱管理系統(tǒng)。它是一種密封結(jié)構(gòu)的空心管,一端是蒸發(fā)端,一端是冷凝端,冷卻電池的原理是當(dāng)熱管的一端吸收電池產(chǎn)生的熱量時(shí),毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化,蒸汽在壓差之下流向另一端放出熱量并凝結(jié)成液體,液體再沿多孔材料依靠毛細(xì)作用流回蒸發(fā)端,如此循環(huán),電池發(fā)熱量得以沿?zé)峁苎杆賯鬟f,如圖3所示。熱管可按照所需冷卻物體的溫度進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。張國(guó)慶等采用熱管冷卻后,電池放電過程溫升降低了許多。與自然對(duì)流冷卻相比,溫升降低10℃以上,而且處于同一模塊中各單體電池間的溫度波動(dòng)不大,溫差趨于平衡,有利于實(shí)現(xiàn)電池模塊間的溫度平衡,從而保證電池模塊工作穩(wěn)定。Mao-SungWu等把兩個(gè)帶有金屬鋁翅片的熱管貼到電池(Li-ion,12Ah,圓柱形,直徑40mm,長(zhǎng)度110mm)壁面降低溫升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明在金屬鋁翅片的幫助下,熱管能有效降低電池溫升。Swanepoel等為蓄電池的熱管理和混合動(dòng)力車元件的控制設(shè)計(jì)了脈動(dòng)熱管(PHP,PulsatingHeatPipe),并將電池放在車后備箱,如圖4所示。該仿真和實(shí)驗(yàn)說明了PHP的寬度應(yīng)控制在d<2.5mm時(shí)允許氨水作為流體介質(zhì),并且通過好的設(shè)計(jì)能使PHP用于電池?zé)峁芾怼?.5空調(diào)系統(tǒng)的工作流程空調(diào)制冷方式冷卻電池包可以使用裝載在整車上的空調(diào)系統(tǒng),是通過空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行制冷,通過水冷器將水中的熱量(來自于電池包)帶走,并通過空調(diào)冷凝器將熱量散發(fā)出去。當(dāng)壓縮機(jī)開始工作時(shí),壓縮空調(diào)制冷劑,壓縮過的制冷劑流入冷凝器中,經(jīng)冷卻后復(fù)原為液態(tài),將壓縮機(jī)傳給制冷劑的熱量散發(fā)到空調(diào)系統(tǒng)外。液態(tài)的制冷劑流到水冷器中再行蒸發(fā),所需的蒸發(fā)熱從冷卻水中吸收,因此冷卻了冷卻水,氣態(tài)的制冷劑重新流回空調(diào)壓縮機(jī)。與此同時(shí),冷卻后的水流到高壓電池包內(nèi)進(jìn)行熱交換,吸收高壓電池包內(nèi)的熱量。電池包的冷卻可以采用水冷和風(fēng)冷,即冷卻水經(jīng)內(nèi)部管道與電池?fù)Q熱和周圍空氣由冷卻水經(jīng)過熱交換器降低溫度后再用風(fēng)扇吹入電池包,其原理示意圖如圖5所示。2.6流道模擬結(jié)果在電池堆中,冷板(一個(gè)或多個(gè)帶有制冷劑內(nèi)流管道的薄壁金屬結(jié)構(gòu)件)能提供冷卻功能,其原理是熱量從電池單元傳導(dǎo)至冷板,然后通過冷卻液導(dǎo)出熱量。冷板的運(yùn)行特性在某種程度上由管道的幾何特征、流道樣式、流道寬度和長(zhǎng)度等決定。AnthonyJarrett等利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD,Computationalfluiddynamics)對(duì)不同的模型參數(shù)下的蛇形流道模擬。定義壓力損失、平均溫度和溫度均勻目標(biāo)函數(shù)后通過改變流道寬度和位置進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果是為了保證最小的壓降Pfluid和平均溫度Tavg,冷卻流道近似占據(jù)最大的面積;而為了保證溫度分布盡可能均勻,應(yīng)盡可能使流道寬度最小,僅在流道出口加大寬度,如圖6所示。整個(gè)結(jié)論表明一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)能滿足壓力和平均溫度目標(biāo),但是要損失一定的溫度一致性。2.7空氣強(qiáng)制冷卻考慮到一定質(zhì)量的相變材料的潛熱利用有限,在極端工況下相變材料完全熔化后需要另外一種方法來補(bǔ)充冷卻電池包,有人提出了結(jié)合相變材料與被動(dòng)式空氣強(qiáng)制冷卻的方法。RamiSabbah等提出了PCM冷卻配合風(fēng)機(jī)一起對(duì)電池包進(jìn)行熱管理,證明了強(qiáng)制空氣冷卻/相變材料冷卻比單獨(dú)的空氣冷卻的溫度一致性較好,且瞬態(tài)溫度變化值較單獨(dú)空氣冷卻小很多。SaidAl-Hallaj等設(shè)計(jì)了PCM/空氣冷卻實(shí)驗(yàn),如圖7所示。在放電時(shí)PCM以高速率吸收熱量并短暫保存,以穩(wěn)定的速率傳到空氣冷卻系統(tǒng),且設(shè)計(jì)的電池包預(yù)測(cè)的熱分布滿足了重載公共交通應(yīng)用要求。3電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)電池是目前電動(dòng)汽車中三大關(guān)鍵技術(shù)之一。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越苛刻,高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)極其重要?？諝鈴?qiáng)制冷卻由于其冷卻能力不強(qiáng)只能在小型功率且良好工況下使用;液體冷卻需要消耗增加水