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發(fā)布時(shí)間:2019-05-13 10:19:10編輯:來(lái)源:本站
一、電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)熱管理背景
電池組是電動(dòng)汽車(chē)的主要儲(chǔ)能部件,由鋰電池組成,直接影響到電動(dòng)車(chē)的性能。由于車(chē)輛上裝載電池的空間有限,正常運(yùn)行所需的電池?cái)?shù)目也較大,電池會(huì)以不同倍率放電,并以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量,再加上時(shí)間累積以及空間影響將會(huì)聚集大量熱量,從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度情況復(fù)雜多變。電池包內(nèi)溫度上升嚴(yán)重影響電池組的電化學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行、循環(huán)壽命、充電可接受性、電池包功率和能量、安全性和可靠性等。如果電動(dòng)汽車(chē)電池組不能及時(shí)散熱,將導(dǎo)致電池組系統(tǒng)的溫度過(guò)高或分布不均勻,其結(jié)果將降低電池充放電循環(huán)效率,影響電池的功率和能量發(fā)揮,嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致熱失控,影響系統(tǒng)安全性與可靠性;另外,由于發(fā)熱電池體的密集擺放,中間區(qū)域必然熱量聚集較多,邊緣區(qū)域較少則增加了電池包中各單元之間的溫度不均衡,這將造成各電池模塊、單體性能的不均衡,最終影響電池性能的一致性及電池荷電狀態(tài)(SOC)估計(jì)的準(zhǔn)確性,影響到電動(dòng)汽車(chē)的系統(tǒng)控制。
鋰離子電池工作原理本質(zhì)上是內(nèi)部正負(fù)極與電解液之間的氧化還原反應(yīng),在低溫下電極表面活性物質(zhì)嵌鋰反應(yīng)速率減慢、活性物質(zhì)內(nèi)部鋰離子濃度降低,這將引起電池平衡電勢(shì)降低、內(nèi)阻增大、放電容量減少,極端低溫情況甚至?xí)霈F(xiàn)電解液凍結(jié)、電池?zé)o法放電等現(xiàn)象,極大的影響電池系統(tǒng)低溫性能,造成電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力輸出性能衰減和續(xù)駛里程減少。此外,在低溫環(huán)境下充電容易在負(fù)極表面形成鋰沉積,金屬鋰在負(fù)極表面積累會(huì)刺穿電池隔膜造成電池正負(fù)極短路,威脅電池使用安全,電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)低溫充電安全問(wèn)題極大的制約了電動(dòng)汽車(chē)在寒冷地區(qū)的推廣。
因此為了提高整車(chē)性能,使電池組發(fā)揮最佳的性能和壽命,就需要優(yōu)化電池包的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)高溫和低溫的電動(dòng)汽車(chē)電池包熱管理系統(tǒng)BTMS。
二、電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)現(xiàn)狀
動(dòng)力電池散熱研究可分為空氣散熱、液冷散熱、固體相變材料散熱和熱管散熱等方式,現(xiàn)有主要散熱技術(shù)以前三種為主。
1.空冷式散熱系統(tǒng)
空冷式散熱系統(tǒng)也叫風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)??绽涫降纳岱绞阶顬楹?jiǎn)單,只需要讓空氣流經(jīng)電池表面帶走動(dòng)力電池所產(chǎn)生的熱量,達(dá)到對(duì)動(dòng)力電池組散熱的目的。根據(jù)通風(fēng)措施的不同,空冷式又有自然對(duì)流散熱和強(qiáng)制通風(fēng)散熱兩種方式。自然對(duì)流散熱不依靠外部附加的強(qiáng)制通風(fēng)措施(如加風(fēng)機(jī)等),只是通過(guò)電池包內(nèi)部流體自身因溫度變化而產(chǎn)生的氣流進(jìn)行冷卻散熱的系統(tǒng)。強(qiáng)制對(duì)流冷卻散熱系統(tǒng)是在自然對(duì)流散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上了相應(yīng)的強(qiáng)制通風(fēng)技術(shù)的散熱系統(tǒng)。當(dāng)前動(dòng)力電池空冷式散熱主要有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種系統(tǒng)。但該種方式效果較差,且很難達(dá)到較高的電池均溫性。
2.液冷式散熱系統(tǒng)
動(dòng)力電池的液冷式散熱系統(tǒng)是指制冷劑直接或間接地接觸動(dòng)力電池,然后通過(guò)液態(tài)流體的循環(huán)流動(dòng)把電池包內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶走達(dá)到散熱效果的一種散熱系統(tǒng)。其制冷劑可以是水、水和乙二醇的混合物、礦物質(zhì)油和R134a等,這些制冷劑擁有較高的導(dǎo)熱率,可以達(dá)到較好的散熱效果。當(dāng)前動(dòng)力電池的液冷技術(shù)也擁有了相當(dāng)成熟的技術(shù),在電動(dòng)汽車(chē)的散熱系統(tǒng)中也有了相對(duì)廣泛的應(yīng)用,比如特斯拉電池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散熱,寶馬i3采用R134a進(jìn)行散熱。液冷式系統(tǒng)往往要求更復(fù)雜的更加嚴(yán)苛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以防止液態(tài)制冷劑的泄漏以及保證電池包內(nèi)電池單體之間的均勻性,而液冷系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)也使得整套散熱系統(tǒng)變得十分笨重,不僅增加整車(chē)的重量,使得整車(chē)的負(fù)擔(dān)大大增加,而且同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及高密封性使得液冷系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)相對(duì)困難,維護(hù)成本也相應(yīng)增加。
3.相變材料式散熱系統(tǒng)
相變材料式散熱系統(tǒng)是以相變材料作為傳熱介質(zhì),利用相變材料在發(fā)生相變時(shí)可以儲(chǔ)能與放能的特性達(dá)到對(duì)動(dòng)力電池低溫加熱與高溫散熱的效果。但相變材料的熱導(dǎo)率比較低,為了改變材料的固有缺陷,人們向相變材料中填充一些金屬材料,例如有些研究中將很薄的鋁板填充到相變材料中從而達(dá)到提高熱導(dǎo)率的目的。為了提高相變材料的熱導(dǎo)率,還有人提出了向相變材料中填充碳纖維、碳納米管等。
4.熱管式散熱系統(tǒng)
熱管作為一種高效的導(dǎo)熱原件,能夠快速高效地把熱能從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方,也就是能夠把熱量快速有效地在兩個(gè)物體間進(jìn)行傳輸。在電動(dòng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)中,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也把熱管這一導(dǎo)熱原件應(yīng)用到動(dòng)力電池的散熱中。與傳統(tǒng)的強(qiáng)制對(duì)流散熱系統(tǒng)相比,在引入熱管的散熱系統(tǒng)中,動(dòng)力電池不僅能維持在正常工作的溫度范圍內(nèi),而且各電池單體之間也能夠保持溫度的均勻性,這是強(qiáng)制冷卻散熱系統(tǒng)所不能達(dá)到的效果。但其質(zhì)量和體積過(guò)大,存在換熱極限。
5.電動(dòng)車(chē)電池加熱系統(tǒng)
以上介紹了四種給電池散熱的方法,下面再介紹一下為了使電池適應(yīng)低溫環(huán)境的加熱方式,加熱系統(tǒng)主要由加熱元件和電路組成,其中加熱元件是最重要的部分。常見(jiàn)的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件,前者通常稱為PTC(positivetemperaturecoefficient),后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜,譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。
PTC由于使用安全、熱轉(zhuǎn)換效率高、升溫迅速、無(wú)明火、自動(dòng)恒溫等特點(diǎn)而被廣泛使用。其成本較低,對(duì)于目前價(jià)格較高的動(dòng)力電池來(lái)說(shuō),是一個(gè)有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大,會(huì)占據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部較大的空間。絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器,它可以根據(jù)工件的任意形狀彎曲,確保與工件緊密接觸,保證最大的熱能傳遞。硅膠加熱膜是具有柔軟性的薄形面發(fā)熱體,但其需與被加熱物體完全密切接觸,其安全性要比PTC差些。
三、電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)
湖北藍(lán)博lanbts是一家專業(yè)電池系統(tǒng)檢測(cè)的研發(fā)生產(chǎn)商,產(chǎn)品包括:小微電流測(cè)試系統(tǒng)、單體電芯測(cè)試系統(tǒng)、動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)、多量程倍率充放電測(cè)試系統(tǒng)、電池組測(cè)試系統(tǒng)、超級(jí)電容測(cè)試系統(tǒng)及電池相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)等。http://mzkieqou.cn