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电池热管理对城市客车能耗的影响.pdf
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1、交流与探讨2024 No.1 Vol.6113收稿日期:2023-09-08*通信作者电池热管理对城市客车能耗的影响翁景坚1*,王晓慧1,杨向前2(1.浙江工贸职业技术学院,浙江 温州 325003;2.温州交运集团,浙江 温州 325000)摘要:先介绍了电池热管理技术(即电池冷却系统)的重要性,并以电池液冷系统作为研究对象,以国内某地区在营运的城市客车的数据为例,结合电池液冷系统的零部件结构和工作原理,分析了电池液冷系统对纯电动客车能耗的影响,以及由于能耗的增加对单车运营成本的影响。关键词:纯电动城市客车;锂电池;电池管理系统;热管理;风冷;液冷;相变材料;能耗;运营成本中图分类号:TM
2、912.9文献标识码:B文章编号:1006-0847(2024)01-13-04The influence of battery thermal management technology on the energy consumption of city busesWENG Jingjian1*,WANG Xiaohui1,YANG XIangqian2(1.Zhejiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou Zhejiang 325003;2.Wenzhou Transportation Group,Wenzhou Zhejiang 325
3、000,China)Abstract:This paper first introduces the importance of battery thermal management technology,that is,battery cooling system.Taking the battery liquid cooling system as the research object,taking the data of a city bus in operation in a certain region of China as an example,combined with th
4、e component structure and working principle of the battery liquid cooling system,this paper analyzes the impact of the battery liquid cooling system on the energy consumption of the pure electricbus and the impact of the increase in energy consumption on the operating cost of a single vehicle.Keywor
5、ds:pure electric city bus;lithium ion battery;battery management system;thermal management;air cooling;liquid cooling;phase change materials;energy consumption;operating cost0 引言近些年,纯电动城市客车得到了快速的发展。纯电动客车的动力来源于蓄电池,因此其整车性能受动力蓄电池的影响非常大。动力蓄电池对工作温度的要求较高:当工作温度过低时,电化学反应速率下降,内阻增大,导致电池充、放电效率降低,同时整车的能耗增加1;工作温
6、度过高会引起电池内部电解液分解和活性物质发生不可逆的化学反应,严重高温时会使电池冒烟、起火燃烧甚至爆炸2。因此,为了把蓄电池的工作温度限制在一个理想的范围内(2045),并且最好将温差控制在 5 以下,电池热管理技术在城市客车上的应用越来越广泛。该技术不仅保证了电池拥有良好使用性能,而且能够减缓电池的衰减,但是需要额外配套增加电池冷却系统。目前,纯电动汽车电池的冷却方式主要有风冷、液冷,以及相变材料(简称 PCM)的使用等。Chinese LABAT Man蓄 电 池2024 No.1 Vol.6114由于风冷效果欠佳,而且使用相变材料会增大电池系统的质量,现今在中国南方地区的城市客车大多采用
7、液冷技术。但是,电池液冷系统的存在导致用户的购车成本增加。同时,在车辆营运过程中由于电池液冷系统导致能耗增加,车辆的营运成本也增加了。本文中,笔者统计分析了某地区同一时间段内城市公交在路程相同的条件下的能耗情况,用以了解电池液冷系统在整车生命周期内对整车的成本影响。1 电池热管理系统1.1 单体电池的产热机理锂离子电池有 2 种热源,即可逆热源和不可逆热源3。圆柱型锂离子电池的三维瞬态传热数学模型4 为 g22222bbdddd1dddd1ddQlTTrrTrrrtTclr+=。(1)式(1)中:b 电池的密度;cb 电池的比热容;T 电池的热力学温度;电池的导热系数;r 电池的半径;电池的圆
8、周角;l 电池的长度;Qg电池内部单位体积的热生成率;t 时间。1.2 电池热管理的重要性以锂离子电池为例,电池的工作温度不仅受环境温度的影响,还受其自身充放电过程中放热量的影响。电池的发热量主要由以下几个部分组成:spjrbQQQQQ+=。式(2)中各参数如下:Qb 为电池的发热量;Qr 为化学反应热;Qp 为极化反应热;Qs 为副反应热;Qj 为焦耳热。结合相关文献4-5以及不同条件下锂电池的性能测试结果,得到锂电池的工作特性如图 1 所示:当工作温度处于 010 范围内时,锂电池的容量衰减,功率性能下降,甚至在低温充电时会出现析锂现象;工作温度处于 2035 范围内最佳;当工作温度处于
9、3545 范围内时,锂电池自放电的风险增加;当工作温度处于 4565 范围内时,锂电池的不可逆反应加剧。总的来说,35 以上的高温会导致锂电池内部副反应增多,影响电池的可用容量,同时加速锂电池老化,降低电池寿命和效率。严重高温甚至会导致电池失效,出现如冒烟、起火、爆炸等危险。由于锂电池对工作温度的要求严苛,为了保证车辆在运营过程中的安全,在电池管理策略上对不同温度不同荷电状态(简称 SoC)下的充放电能图 1 锂电池的工作特性力进行了限制。图 2 为某品牌锂电池组在不同条件下的控制保护策略。当锂电池的工作温度过低或者过高时,出于保护目的,会对锂电池组的充放电电流进行限制,但是这将影响纯电动城市
10、客车在运营过程中的制动能量回收能力,使得车辆的运营能耗增加,不但减少了车辆的续驶里程,而且增加了运营成本。因此,电池冷却系统的应用有利于电池发挥良好的性能,从而提高整车性能,降低运营能耗。图 2 某品牌锂电池组的回充电流限值交流与探讨2024 No.1 Vol.61152 电池的冷却方式纯电动汽车电池的冷却方式主要有风冷、液冷,以及相变材料的使用等。2.1 风冷技术风冷的原理是利用空气的流动,通过换热的形式带走电池放出的热量。风冷包含自然风冷和强制风冷6。自然风冷是指利用空气的自然流动来达到散热的目的。强制风冷是指利用风扇或专门设计的风管在特定空间内形成相应的气流,以达到散热的目的。由于效果欠
11、佳,风冷技术更适合在中国北方等夏天环境温度较低的地区配套使用。2.2 相变材料冷却技术根据材料组成,相变材料可以分为无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料等。无机相变材料主要有石墨、熔融盐、结晶水等。无机相变材料的优点是相变焓高,且热导率高,但是过冷度也较高,而且热稳定性差。有机相变材料,如石蜡、醋酸等,具有无腐蚀性,过冷度低,化学稳定性好等特点。复合相变材料是将有机材料和无机材料复合在一起使用,各取所长。相比之下,复合相变材料对锂电池的热管理有更好的效果。相变材料冷却的原理是利用相变材料的潜热对电池进行冷却。一般情况下,相变材料直接与电池单体接触。常温下相变材料通常为液态。相变材料在液态、
12、固态、汽态之间转变时会吸收(或释放)大量的热,而温度基本保持不变。相变材料导热和吸热性能显著,所以当电池组内部某个单体电池的温度超过正常工作温度范围时,其热量能够迅速传递,使单体电池间温度基本一致。如此往复循环,实现对电池的冷却。然而,由于相变材料的导热系数小,额外使用相变材料将会增大电池系统的质量,以及不便于后期维护,所以目前相变材料冷却技术不易实现产业化。2.3 液冷技术液体冷却是指电池模块可以用液体冷却介质,如水、矿物油、乙二醇、电介质等,进行冷却7。一般选用导热系数较高的传热工质,通过直接接触或者间接接触的方式实现换热,达到冷却的效果。由于液体冷却具有较高的换热系数,与空气冷却系统或
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