電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)主要類(lèi)型之一,其銷(xiāo)量也在逐年上升?但續(xù)駛里程短?充電時(shí)間長(zhǎng)以及偶有發(fā)生的電動(dòng)汽車(chē)自燃?起火事故等一直廣為詬病?針對(duì)這些問(wèn)題,業(yè)界人士提出:一是要大力研發(fā)能量密度更高?可以快速充放電?使用更加安全的電池;二是要提高電池的管理技術(shù)和管理手段,構(gòu)建一個(gè)更加科學(xué)?完善的電池管理系統(tǒng),更好發(fā)揮電池的性能?
在電動(dòng)汽車(chē)電池管理當(dāng)中,熱管理系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)的核心組成之一?電動(dòng)汽車(chē)的電池在正常工作中,會(huì)因?yàn)殇囯x子在電池內(nèi)部的嵌入和脫嵌?電流在電池及電池組內(nèi)的流動(dòng)以及電池內(nèi)各種微小的副反應(yīng)等原因產(chǎn)生大量的熱量,這些熱量如果不盡快排出,堆積在電池包內(nèi)部,會(huì)使電池的溫度升高,當(dāng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或溫度超過(guò)許用上限時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響電池的壽命甚至直接使電池短路爆炸?此外,鋰離子電池在溫度較低的環(huán)境充電時(shí),會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶現(xiàn)象,不斷生長(zhǎng)的枝晶存在刺穿隔離膜致使電池短路的風(fēng)險(xiǎn)?因此,電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的好壞直接關(guān)系到電池組的安全性能及充放電性能?
電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究,目前主要集中在如何導(dǎo)出電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量,使電池在最佳的溫度范圍內(nèi)工作?現(xiàn)在應(yīng)用于純電動(dòng)汽車(chē)上的冷卻方法主要是風(fēng)冷?液冷?直冷,同時(shí)相變材料在電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用也作為一個(gè)研究熱點(diǎn)?下面依次對(duì)主要的電池冷卻類(lèi)型及研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,同時(shí)簡(jiǎn)單介紹電池低溫加熱方式,為純電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的選擇?優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考?
1風(fēng)冷
風(fēng)冷是最早開(kāi)始使用的動(dòng)力電池冷卻技術(shù)?按風(fēng)的流動(dòng)動(dòng)力有自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷兩種,而按風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)道劃分有串聯(lián)冷卻和并聯(lián)冷卻兩種,如圖1所示?風(fēng)冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)上比液冷?直冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單,功率消耗低?但是由于其流道布置使得空間利用率低?防水防塵困難,因此不適用于排列緊密的方形?軟包電池?此外,在外界空氣溫度過(guò)高?過(guò)低時(shí)熱管理系統(tǒng)難以滿足需要,需要空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)冷卻等?因此風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻性能難以滿足使用需求,正在逐步被液冷?直冷系統(tǒng)取代?
對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng),羅宗鴻通過(guò)建立使用18650型號(hào)圓柱電池的電池包三維模型,并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn),探究了在電池包箱體不同位置開(kāi)設(shè)進(jìn)?出風(fēng)口,以及電池在電池包內(nèi)不同排布時(shí)風(fēng)冷散熱的有效性和局限性,為后續(xù)研究提供了理論指導(dǎo)和可靠依據(jù)?
高肖璟重點(diǎn)考慮到單體電池表面溫度與內(nèi)核溫度的不一致,通過(guò)建立單個(gè)電池電熱耦合模型進(jìn)而建立了電池組電熱耦合模型,在驗(yàn)證了模型的精度后,設(shè)計(jì)了一個(gè)“模型預(yù)測(cè)溫度控制器”,該控制器通過(guò)控制入口處的空氣溫度,將電池組的內(nèi)核溫度控制在目標(biāo)溫度界限內(nèi)?
Shahabeddin等為了解決空冷電池均溫性差的問(wèn)題,在空氣流動(dòng)的通道內(nèi)嵌入泡沫鋁,并進(jìn)行仿真模擬,結(jié)論證明該方法可有效降低電池間的溫差,當(dāng)空氣流道內(nèi)有三分之一或全部充滿泡沫鋁時(shí)可獲得最理想的均溫性?
2液冷
液冷是綜合性能最好的冷卻方式?對(duì)電池液冷系統(tǒng)影響較大的主要因素有冷卻液的理化性質(zhì)?冷卻管路的流道布置?液冷按結(jié)構(gòu)分,可以分為直接接觸和間接接觸兩種方式?
直接接觸式是將電池浸泡在冷卻液中,優(yōu)點(diǎn)在于換熱效果極佳,溫度均勻性較好,但缺點(diǎn)是對(duì)電池包內(nèi)外的密封?絕緣性能提出了很高的要求?間接接觸式則是在電池包內(nèi)鋪設(shè)流道,使冷卻液在流道內(nèi)流動(dòng),優(yōu)點(diǎn)在于降低了對(duì)密封?絕緣性能的要求,因此多使用水?水/乙二醇等粘度小?導(dǎo)熱率高?比熱容高的液體作為冷卻液,這樣通過(guò)在較小范圍內(nèi)調(diào)整循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速,即可在較大范圍內(nèi)調(diào)整冷卻強(qiáng)度?但因?yàn)槔鋮s液只能在預(yù)設(shè)的流道內(nèi)流動(dòng),而流道同電池間接觸有限,使得電池的溫度均勻性下降,因此需要研究如何布置流道以獲得最好的溫度均勻性?圖2為一種間接接觸式的液冷系統(tǒng)?
對(duì)于液冷系統(tǒng),國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究?楊洋通過(guò)對(duì)鋰離子電池和整車(chē)的仿真分析,得到了電池的生熱速率,并設(shè)計(jì)了一種液冷系統(tǒng)?又結(jié)合環(huán)境溫度?冷卻液入口溫度?流量等影響因素,對(duì)電池組溫差較大的問(wèn)題,從導(dǎo)熱系數(shù)和加裝輔助液冷板兩個(gè)方面改善了電池組的溫度均勻性?最后在高溫中低速定速爬坡和高溫高速爬坡兩種惡劣工況,驗(yàn)證了其模型的可行性?
周嘉結(jié)合整車(chē)性能和空間要求,在確定電池組和液冷板的布置方式后,又采用仿真手段設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種具有微小通道結(jié)構(gòu)的熱管理系統(tǒng)?考慮到電池組的加熱需要,又對(duì)加熱片進(jìn)行了選型,最終設(shè)計(jì)出一種兼具散熱和加熱的熱管理系統(tǒng)?
顏藝提出了一種液體直接接觸電池的液冷系統(tǒng)?通過(guò)對(duì)不同流道布置方式進(jìn)行仿真分析后,最終選用高低交錯(cuò)式“U”型結(jié)構(gòu),確定系統(tǒng)散熱?加熱最佳流速為1.0m/s,加熱功率為500W,保溫材料為二氧化硅氣凝膠,厚度10mm,最后通過(guò)搭建樣機(jī)并實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)與仿真結(jié)果基本一致?
Yang考慮的液態(tài)金屬用于液冷系統(tǒng)的可行性?通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)比并將結(jié)果與水冷法進(jìn)行對(duì)比,結(jié)論表明使用液態(tài)金屬時(shí),整體溫度更低?均溫性更好?循環(huán)泵消耗功率更低,適合在大功率放電及惡劣工況下使用?
現(xiàn)在對(duì)液冷系統(tǒng)的研究,主要集中在冷卻板的優(yōu)化及冷卻板和動(dòng)力電池的布置方式上?
3直冷
直冷是將空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑直接引入電池包內(nèi)進(jìn)行冷卻,相當(dāng)于將電池包內(nèi)的冷卻板作為空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器?直冷系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于效率高?響應(yīng)迅速?制冷量大?其缺點(diǎn)則主要在于高度依賴(lài)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)?夏季,因乘員艙和電池系統(tǒng)都需要大功率制冷,使得空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷很高;冬季,因?yàn)槌藛T艙需要持續(xù)制熱,而電池包需要先預(yù)熱后制冷,這就對(duì)汽車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)提出了極高的挑戰(zhàn)?圖3為一種直冷系統(tǒng)的示意圖?
對(duì)于直冷系統(tǒng),張聰哲等研究了在夏季高溫工況下,電池包?乘客艙制冷劑并聯(lián)制冷,電池組與制冷回路間使用熱管進(jìn)行熱換熱,電機(jī)采用液冷技術(shù),最后模擬整車(chē)在新歐洲駕駛循環(huán)工況下系統(tǒng)的制冷性能,確定能夠滿足乘員艙?電池組?電機(jī)的制冷需求?
鮑文迪主要以電池最高溫度?溫差這兩項(xiàng)指標(biāo)為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),采用冷板底置?高導(dǎo)熱片強(qiáng)化傳熱的結(jié)構(gòu),通過(guò)階梯式調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的方法來(lái)滿足不同制冷工況的制冷需求,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬不同工況,論證了該系統(tǒng)的可行性?
4相變材料冷卻
相變材料是指在溫度不變的情況下而改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì),如石蠟?相變材料的熱管理方法就是將相變材料放入電池包內(nèi),利用其較高的相變潛熱吸收電池放電時(shí)產(chǎn)生的熱量,由于在相變過(guò)程中相變材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變,因此可以使電池溫度更加穩(wěn)定?相變材料最大的好處在于結(jié)構(gòu)和操作最為簡(jiǎn)單,只需要將電池和相變材料合理排布在電池包內(nèi)即可,全程無(wú)需外界系統(tǒng)干預(yù),并且溫度均勻性極好,且相變材料來(lái)源廣,價(jià)格低廉?
相變材料的缺點(diǎn)主要有:所需相變材料的體積?質(zhì)量較大,使得電池包整體的能量密度減小;相變材料在“固-液”相轉(zhuǎn)變時(shí),可能產(chǎn)生較大的體積變化,從而產(chǎn)生應(yīng)力變化,并且在液態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低;相變材料的導(dǎo)熱性能較差,當(dāng)電池溫度急劇升高時(shí)多余的熱量可能無(wú)法及時(shí)被吸收?為克服此缺點(diǎn),現(xiàn)在相變材料的主要研究方向?yàn)樵谙嘧儾牧蟽?nèi)均勻混入碳材料(如碳納米管?石墨烯?膨脹石墨等)或泡沫金屬材料(如泡沫鋁?泡沫鐵?泡沫銅等)制成復(fù)合相變材料以強(qiáng)化其導(dǎo)熱性能?但無(wú)論何種材料均會(huì)在多次相變后自然沉積,從而使復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能下降;相變材料在相變過(guò)程中保溫性能優(yōu)異,但當(dāng)完全相變后無(wú)論吸熱性能還是保溫性能都將大幅下降,因此僅使用相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)都將面對(duì)很大挑戰(zhàn)?
5其他熱管理
系統(tǒng)除上述的冷卻系統(tǒng)之外,熱管冷卻也是一個(gè)比較熱門(mén)的研究方向?熱管的原理是通過(guò)管內(nèi)材料在高溫區(qū)吸熱蒸發(fā)?低溫區(qū)放熱膨脹產(chǎn)生體積變化,從而引起管內(nèi)液體的自發(fā)流動(dòng),其原理如圖4所示?熱管的優(yōu)點(diǎn)在于只要高?低溫區(qū)之間存在足夠的溫差即可持續(xù)進(jìn)行自發(fā)的循環(huán)流動(dòng),并且在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得熱管的熱傳導(dǎo)效率遠(yuǎn)高于一般的導(dǎo)熱材料?但當(dāng)前熱管在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用還不完善,因此并未在電動(dòng)汽車(chē)上得到大范圍的實(shí)際應(yīng)用?
在研究如何將電池內(nèi)部多余熱量導(dǎo)出的同時(shí),也有一些學(xué)者注意到當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)在嚴(yán)寒或低溫環(huán)境中時(shí),電池的使用壽命?能量密度受到了極大地影響?因此也有一些學(xué)者著力于對(duì)電池包進(jìn)行保溫?加熱的研究?大致方向?yàn)?/span>:在電池包外部包裹保溫材料,在電池間布設(shè)電加熱片或使加熱后的冷卻液流經(jīng)電池包內(nèi)部完成對(duì)電池的加熱等?
6總結(jié)
本文主要針對(duì)風(fēng)冷?液冷?直冷等常用的幾種純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的原理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,為后期從事純電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)選擇?優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考?
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