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。

電動汽車電池熱管理風冷與液冷

動力蓄電池熱管理系統(BTMS,BatteryThermalManagementSystem)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,PhaseChangeMaterial)、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。

電動汽車電池熱管理風冷與液冷

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。