纯电动汽车电池热管理技术研究

热设计 2022-04-18

电动汽车作为新能源汽车主要类型之一,其销量也在逐年上升｡但续驶里程短､充电时间长以及偶有发生的电动汽车自燃､起火事故等一直广为诟病｡针对这些问题,业界人士提出:一是要大力研发能量密度更高､可以快速充放电､使用更加安全的电池;二是要提高电池的管理技术和管理手段,构建一个更加科学､完善的电池管理系统,更好发挥电池的性能｡

在电动汽车电池管理当中,热管理系统是电池管理系统的核心组成之一｡电动汽车的电池在正常工作中,会因为锂离子在电池内部的嵌入和脱嵌､电流在电池及电池组内的流动以及电池内各种微小的副反应等原因产生大量的热量,这些热量如果不尽快排出,堆积在电池包内部,会使电池的温度升高,当时间过长或温度超过许用上限时,会严重影响电池的寿命甚至直接使电池短路爆炸｡此外,锂离子电池在温度较低的环境充电时,会出现锂枝晶现象,不断生长的枝晶存在刺穿隔离膜致使电池短路的风险｡因此,电动汽车电池热管理系统的好坏直接关系到电池组的安全性能及充放电性能｡

电池热管理技术的研究,目前主要集中在如何导出电池工作时产生的热量,使电池在最佳的温度范围内工作｡现在应用于纯电动汽车上的冷却方法主要是风冷､液冷､直冷,同时相变材料在电池热管理中的应用也作为一个研究热点｡下面依次对主要的电池冷却类型及研究现状进行介绍,同时简单介绍电池低温加热方式,为纯电动汽车电池热管理系统的选择､优化设计提供参考｡

1风冷

风冷是最早开始使用的动力电池冷却技术｡按风的流动动力有自然风冷和强制风冷两种,而按风冷系统风道划分有串联冷却和并联冷却两种,如图1所示｡风冷系统的优点在于结构上比液冷､直冷系统简单,功率消耗低｡但是由于其流道布置使得空间利用率低､防水防尘困难,因此不适用于排列紧密的方形､软包电池｡此外,在外界空气温度过高､过低时热管理系统难以满足需要,需要空调系统送风冷却等｡因此风冷系统冷却性能难以满足使用需求,正在逐步被液冷､直冷系统取代｡

对于风冷系统,罗宗鸿通过建立使用18650型号圆柱电池的电池包三维模型,并结合计算机仿真分析和相关实验,探究了在电池包箱体不同位置开设进､出风口,以及电池在电池包内不同排布时风冷散热的有效性和局限性,为后续研究提供了理论指导和可靠依据｡

高肖璟重点考虑到单体电池表面温度与内核温度的不一致,通过建立单个电池电热耦合模型进而建立了电池组电热耦合模型,在验证了模型的精度后,设计了一个“模型预测温度控制器”,该控制器通过控制入口处的空气温度,将电池组的内核温度控制在目标温度界限内｡

Shahabeddin等为了解决空冷电池均温性差的问题,在空气流动的通道内嵌入泡沫铝,并进行仿真模拟,结论证明该方法可有效降低电池间的温差,当空气流道内有三分之一或全部充满泡沫铝时可获得最理想的均温性｡

2液冷

液冷是综合性能最好的冷却方式｡对电池液冷系统影响较大的主要因素有冷却液的理化性质､冷却管路的流道布置｡液冷按结构分,可以分为直接接触和间接接触两种方式｡

直接接触式是将电池浸泡在冷却液中,优点在于换热效果极佳,温度均匀性较好,但缺点是对电池包内外的密封､绝缘性能提出了很高的要求｡间接接触式则是在电池包内铺设流道,使冷却液在流道内流动,优点在于降低了对密封､绝缘性能的要求,因此多使用水､水/乙二醇等粘度小､导热率高､比热容高的液体作为冷却液,这样通过在较小范围内调整循环泵的转速,即可在较大范围内调整冷却强度｡但因为冷却液只能在预设的流道内流动,而流道同电池间接触有限,使得电池的温度均匀性下降,因此需要研究如何布置流道以获得最好的温度均匀性｡图2为一种间接接触式的液冷系统｡

对于液冷系统,国内外学者进行了大量的研究｡杨洋通过对锂离子电池和整车的仿真分析,得到了电池的生热速率,并设计了一种液冷系统｡又结合环境温度､冷却液入口温度､流量等影响因素,对电池组温差较大的问题,从导热系数和加装辅助液冷板两个方面改善了电池组的温度均匀性｡最后在高温中低速定速爬坡和高温高速爬坡两种恶劣工况,验证了其模型的可行性｡

周嘉结合整车性能和空间要求,在确定电池组和液冷板的布置方式后,又采用仿真手段设计并优化了一种具有微小通道结构的热管理系统｡考虑到电池组的加热需要,又对加热片进行了选型,最终设计出一种兼具散热和加热的热管理系统｡

颜艺提出了一种液体直接接触电池的液冷系统｡通过对不同流道布置方式进行仿真分析后,最终选用高低交错式“U”型结构,确定系统散热､加热最佳流速为1.0m/s,加热功率为500W,保温材料为二氧化硅气凝胶,厚度10mm,最后通过搭建样机并实验,验证了设计的热管理系统与仿真结果基本一致｡

Yang考虑的液态金属用于液冷系统的可行性｡通过计算机仿真对比并将结果与水冷法进行对比,结论表明使用液态金属时,整体温度更低､均温性更好､循环泵消耗功率更低,适合在大功率放电及恶劣工况下使用｡

现在对液冷系统的研究,主要集中在冷却板的优化及冷却板和动力电池的布置方式上｡

3直冷

直冷是将空调系统的制冷剂直接引入电池包内进行冷却,相当于将电池包内的冷却板作为空调系统的蒸发器｡直冷系统优点在于效率高､响应迅速､制冷量大｡其缺点则主要在于高度依赖汽车空调系统｡夏季,因乘员舱和电池系统都需要大功率制冷,使得空调系统负荷很高;冬季,因为乘员舱需要持续制热,而电池包需要先预热后制冷,这就对汽车的空调系统提出了极高的挑战｡图3为一种直冷系统的示意图｡

对于直冷系统,张聪哲等研究了在夏季高温工况下,电池包､乘客舱制冷剂并联制冷,电池组与制冷回路间使用热管进行热换热,电机采用液冷技术,最后模拟整车在新欧洲驾驶循环工况下系统的制冷性能,确定能够满足乘员舱､电池组､电机的制冷需求｡

鲍文迪主要以电池最高温度､温差这两项指标为评判标准,采用冷板底置､高导热片强化传热的结构,通过阶梯式调节压缩机转速和电子膨胀阀的方法来满足不同制冷工况的制冷需求,通过计算机仿真模拟不同工况,论证了该系统的可行性｡

4相变材料冷却

相变材料是指在温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质,如石蜡｡相变材料的热管理方法就是将相变材料放入电池包内,利用其较高的相变潜热吸收电池放电时产生的热量,由于在相变过程中相变材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变,因此可以使电池温度更加稳定｡相变材料最大的好处在于结构和操作最为简单,只需要将电池和相变材料合理排布在电池包内即可,全程无需外界系统干预,并且温度均匀性极好,且相变材料来源广,价格低廉｡

相变材料的缺点主要有:所需相变材料的体积､质量较大,使得电池包整体的能量密度减小;相变材料在“固-液”相转变时,可能产生较大的体积变化,从而产生应力变化,并且在液态时结构强度很低;相变材料的导热性能较差,当电池温度急剧升高时多余的热量可能无法及时被吸收｡为克服此缺点,现在相变材料的主要研究方向为在相变材料内均匀混入碳材料(如碳纳米管､石墨烯､膨胀石墨等)或泡沫金属材料(如泡沫铝､泡沫铁､泡沫铜等)制成复合相变材料以强化其导热性能｡但无论何种材料均会在多次相变后自然沉积,从而使复合相变材料的导热性能下降;相变材料在相变过程中保温性能优异,但当完全相变后无论吸热性能还是保温性能都将大幅下降,因此仅使用相变材料的电池热管理系统都将面对很大挑战｡

5其他热管理

系统除上述的冷却系统之外,热管冷却也是一个比较热门的研究方向｡热管的原理是通过管内材料在高温区吸热蒸发､低温区放热膨胀产生体积变化,从而引起管内液体的自发流动,其原理如图4所示｡热管的优点在于只要高､低温区之间存在足够的温差即可持续进行自发的循环流动,并且在实验室测得热管的热传导效率远高于一般的导热材料｡但当前热管在电池热管理系统中的应用还不完善,因此并未在电动汽车上得到大范围的实际应用｡