電動汽車電池熱管理風冷與液冷

付赫濤

2017年12月18日 11:04

瀏覽：3672 收藏：3

鋰離子電池包熱管理的要求是根據鋰離子電池發熱機理,合理設計電池包結構,選擇合適的熱管理方式,合理設計熱管理策略,保證電池包內各個單體電池工作在合理溫度范圍內的同時盡量維持包內各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。

動力蓄電池熱管理系統(BTMS,Battery Thermal Management System)對純電動汽車在各種環境下的動力性有至關重要的影響。通過研究分析鋰離子電池產熱原理,BTMS傳熱冷卻方式,及風冷散熱和液冷散熱方案的比較,說明液冷散熱效果好于風冷,液冷散熱將是未來適合復雜工況的大功率鋰離子動力電池熱管理的重要研究方向。

動力蓄電池作為純電動汽車的動力來源,是提高整車性能和降低成本的關鍵一環,其溫度特性直接影響電動車的性能、壽命和耐久性。鋰離子電池因比能大、循環壽命長、自放電率低、允許工作溫度范圍寬、低溫效應好等優點是電動車目前首選的動力電池。鋰離子電池包熱管理的要求是根據鋰離子電池發熱機理,合理設計電池包結構,選擇合適的熱管理方式,合理設計熱管理策略,保證電池包內各個單體電池工作在合理溫度范圍內的同時盡量維持包內各個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的,任何一只電池性能下降都會影響電池組的整體表現。溫差為5℃、10℃、15℃時,相同充電條件下電池組的荷電態分別下降10%、15%、20%。

鋰離子電池熱特性

電池在充放電過程中都會發生一系列化學反應,從而產生熱反應。鋰離子動力電池的主要產熱反應包括:電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應、負極與粘合劑的反應和固體電解質界面膜的分解。此外,由于電池內阻的存在,電流通過時,會產生部分熱量。低溫時鋰離子電池主要以電阻產生的焦耳熱為主,這些放熱反應是導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鋰電池的電池動力體系的安全性能。

實際運行環境中,動力系統需要鋰離子電池具備大容量與大倍率放電等特點,但同時產生的高溫增加了運行危險。所以,降低鋰離子電池工作溫度,提升電池性能至關重要。

BTMS傳熱冷卻方式

BTMS中按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻,其中只利用周圍環境冷卻的方式為被動式冷卻,組裝在系統內部的、能夠在低溫情況下提供熱源或者在高溫條件下提供冷源,主動元件包括蒸發器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等的方式為主動式冷卻。按照傳質的不同可以分為空氣強制對流、液體冷卻、相變材料(PCM,Phase Change Material)、空調制冷、熱管冷卻、熱電制冷和冷板冷卻等。根據不同的放電電流倍率、周圍溫度等應用要求選擇不同的冷卻方式。

空氣強制對流

空氣作為傳熱介質就是直接讓空氣穿過模塊以達到冷卻、加熱的目的。很明顯空氣自然冷卻電池是無效的,強制空氣冷卻是通過運動產生的風將電池的熱量經過排風風扇帶走,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設計。可以采用串聯式和并聯式通道(如圖1所示)。

仿真結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散熱的43%~63%強化傳熱是降低最高溫度的有效措施,但擴大強化傳熱的范圍并不會無限地提高溫度一致性。

風冷方式的主要優點有:結構簡單,重量相對較小沒有發生漏液的可能有害氣體產生時能有效通風成本較低。缺點在于其與電池壁面之間換熱系數低,冷卻、加熱速度慢。

在串并聯風道中,放置6塊發熱電池,假設電池密度均勻(2700kg/m3),熱生成率相同(50000w/m3)。空氣以5m/s的速度流入,進口溫度為25℃(298K),出口自由敞開,電池模型使用結構體網格,數量為25萬個。

通過仿真分析得到電池溫度表格如表1所示。串聯式流道整體溫差為5.6℃,并聯式流道整體溫差為3.0℃;串聯流道中間電池熱累計較多,整體溫度較高,一致性較差;并聯流道整體溫度較低,一致性較好;但因本例入口風道為水平直角,故靠近入口電池溫度較高。若將風口向上傾斜一定的角度,散熱效果會更好。因此,改變風道設計,對電池散熱影響較大。

液體冷卻

在一般工況下,采用空氣介質冷卻即可滿足要求,但在復雜工況下,液體冷卻才可達到動力蓄電池的散熱要求。采用液體與外界空氣進行熱交換把電池組產生的熱量送出,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的液體中。若液體與模塊間采用傳熱管、夾套等,傳熱介質可以采用水、乙二醇、油甚至制冷劑等。若電池模塊沉浸在電介質傳熱液體中,必須采用絕緣措施防止短路。傳熱介質和電池模塊壁之間進行傳熱的速率主要取決于液體的熱導率、粘度、密度和流動速率。在相同的流速下,空氣的傳熱速率遠低于直接接觸式流體,這是因為液體邊界層薄,導熱率高。

液冷方式的主要優點有:與電池壁面之間換熱系數高,冷卻、加熱速度快;體積較小。主要缺點有:存在漏液的可能;重量相對較大;維修和保養復雜;需要水套、換熱器等部件,結構相對復雜。

實驗結果表明相對于液體冷卻/加熱,空氣介質傳熱效果不是很明顯,但是系統不太復雜。對于并聯型混合動力車,空氣冷卻是滿足要求的,而純電動汽車和串聯式混合動力車,液體冷卻效果更好(見圖2)。

通過仿真分析得到電池溫度表格(如表1所示),在不同流道設計的情況下,液體冷卻溫度一致性較好。雖然并聯流道整體溫度低于串聯流道,溫度僅相差0.4℃。但從實際與設計角度考慮,串聯流道結構規整簡單更適合產品設計。

目前制造商不愿意選擇液體冷卻是因為密封不好會導致液體泄漏,所以密封設計是極其重要的。

結論

本文基于有限元仿真軟件,在風冷與液冷兩種不同模式不同的流道下,對電池溫度冷卻效果進行比較。通過對上述內容研究表明:(1)風冷在不同的流道下,對電池的溫度一致性影響較大,但并聯流道散熱效果好于串聯流道;(2)液冷無論在串、并流道下,對電池溫度的一致性影響較小,并且整體散熱效果要遠好于風冷方式。隨著電池模塊容量的增大,惡劣環境下運行對電池性能的要求越來越苛刻,高效的電池熱管理系統及其重要。空氣強制冷卻由于冷卻能力不強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雜工況下使用。因此液冷是未來電池熱管理的重要研究發展方向。

新能源汽車電池熱管理系統設計

汽車熱管理之家

電池熱管理的主要功能包括：電池溫度的準確測量和監控；電池組溫度過高時的有效散熱；低溫條件下的快速加熱；保證電池組溫度場的均勻分布；電池散熱系統與其他散熱單元的匹配。

圖1 電池熱管理關系圖

電池包的冷卻有風冷和液冷兩種方式。研究表明風冷方式易實現，但電池包溫度梯度變化較大，不利于電池穩定工作。通過冷卻液與空調系統的制冷劑進行換熱的液冷方式逐漸成為主流。對新能源汽車電池熱問題的科學管理，需要考慮多個系統的相互影響。各系統之間的影響關系如圖 1所示，電池包冷卻與汽車空調系統、電機冷卻系統、發動機冷卻系統等多個系統存在不同程度的耦合。這樣在做電池系統溫度控制策略、熱管理時就要同時分析與其他系統的影響關系。

解決方案

為了解決電池熱管理中，流體系統之間復雜的耦合系，可以采用Dymola軟件的蒸發循環庫、液冷庫、電池庫等搭建一維仿真模型。去模擬整個模型系統，分析不同系統之間的耦合關系，從而實現對復雜系統的化控制。

圖2 Dymola 模型庫

Dymola軟件具有豐富的模型庫，采用基礎庫與商業庫可以方便的搭建電池熱管理系統。蒸發循環庫涵蓋了市面上幾乎所有主流的制冷劑，有著精確的兩相流模型和根據結構建模的換熱器模型；考慮元件生熱和溫度對元件電氣性能影響的電阻、二極管、晶閘管、電機等基礎元件模型；具有熱容、熱傳導、對流、輻射、溫度、熱流邊界條件等的傳熱元件模型；可用于電池液流管路建模、部件選型、系統性能研究的液冷庫中包括管路、控制閥、恒溫閥、泵、風機、換熱器、膨脹箱等模型；考慮電池單體的差異和溫度對電池容量、外特性影響的Modelon電池庫，可用于分析電池的電、熱、壽命等方面的特性。

對于電池熱管理而言，控制系統是必不可少。Dymola基礎庫中包含用于控制、邏輯建模的模型庫，可用于搭建控制系統。另外也可以通過FMI接口導入控制模型對應的FMU通過Simulink搭建控制律模型，并將模型轉為FMU導入Dymola中，可與電池系統模型、加熱/冷卻系統模型進行聯合仿真。

圖3 控制系統模型

采用Dymola軟件提供的蒸發循環庫，可搭建熱管理系統的空調系統模型；采用Dymola軟件中的液冷庫可以搭建電池冷卻循環、發動機冷卻循環和功率電子元件冷卻循環等；采用Dymola軟件中的電池庫可以搭建電機、電池等組成的電池驅動系統。蒸發循環庫、液冷庫及其他模型庫可以無縫連接組成大系統，便于熱管理模型系統仿真分析。Dymola還可搭建控制算法，同時其也可以通過Simulink接口，調用Matlab/Simulink軟件的控制算法，實現熱管理系統控制模型與仿真物理模型之間的聯合仿真，用于控制策略的設計、驗證，使工程師更好的設計熱管理系統模型。

應用案例

圖4為采用Dymola軟件搭建的電池熱管理一維仿真模型。左側紅色點劃線區域為采用蒸發循環庫搭建的空調系統蒸發循環；中間紅色點劃線區域為采用液冷庫搭建的電池冷卻循環；蒸發循環與冷卻循環之間黑色實線區域為冷卻液與制冷劑之間的換熱單元；最右邊紅色實線區域為電機電池等元件組成的驅動系統。