纯电动汽车电池散热管理的对比研究.docx
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1、 纯电动汽车电池散热管理的对比研究 董玉灿 张礼宪 孟庆发 张景涛 杨继群摘 要:锂电池由于其出色的电化学性能被广泛应用于纯电动汽车,温度是影响锂电池储电和安全的主要因素,在温度过高下工作导致电池性能快速衰退,甚至引发热失控。文章基于锂电池储电机理,分析了温度及其他影响因素,对比研究电池散热管理各方式特点,为电动汽车散热系统的选择和研发工作提供参考。关键词:电动汽车;锂离子电池;散热管理;冷却方案:U469.72 :A :1671-7988(2020)10-01-04The Research on Battery Thermal Management of Pure Electric Vehi
2、cleDong Yucan, Zhang Lixian, Meng Qingfa, Zhang Jingtao, Yang Jiqun(Zhongtong Bus Holding Co., Ltd, Shandong Liaocheng 252000)Abstract:Lithium batteries are widely used in pure electric vehicles due to their excellent electrochemical performance. Temperature is the main factor affecting the storage
3、and safety of lithium batteries. Working at high temperatures leads to rapid decline in battery performance and even thermal runaway. This article analyzes the temperature and other influencing factors based on the principle of lithium battery storage motors, and compares and analyzes the characteri
4、stics of various methods of battery heat management to provide a reference for the selection and research and development of heat dissipation systems for electric vehicles.Keywords: Electric vehicle; Lithium ion battery;Thermal management; Cooling methodCLC NO.: U469.72Document Code: A Article ID: 1
5、671-7988(2020)10-01-04前言新能源汽車在环境保护和能源利用方面极具优势,我国作为全球最大的汽车生产和销售国,在新能源乘用车发展道路上做出了卓越贡献。动力电池是新能源汽车的唯一动力来源,其工作温度直接影响整车的安全和续航里程等方面。已有研究者选择两种热管理方式进行比较1,本文根据原理对比电池各散热管理方式的特点,对新能源汽车选择合理的方式控制电池的工作温度具有重要意义。1温度对锂电池的影响机理锂电池中的磷酸铁锂电池和三元锂电池具有能量密度高、工作温度范围广、循环寿命长和安全可靠的优点,被广泛用于新能源汽车的动力电池。但锂电池在充放电过程中产生可逆反应热、欧姆热、极化热和副反应
6、热,电池的发热量主要受其内阻及充电电流的影响。工作温度过高一方面使长期处于低电位的阳极还原电解液,造成活性锂离子的损失,导致电化学性能的下降;另一方面,高温导致阳极还原电解液的副反应增加,反应的无机产物沉积在阳极表面,阻碍锂离子的脱嵌,加速电池的老化2。AhmadA. Pesaran研究表明,当电池工作温度超过40后,每增加10,电池的循环寿命就会减半。电池组在新能源汽车电池仓内排列紧密,单体电池产生的热量累积使电池组内部出现温差,导致单体电池衰减速率不同,破坏电池组的同一性,电池组性能降低3。电池的温度与充放电电流呈正相关,当小电流充放电时,电池组的最高温度位置在其中间不易与外界发生热交换的
7、位置,当大电流充放电或极耳结构设计不合理时,电池组的最高温度在极耳处。温度过低时电化学反应速率降低,还可能在阳极形成“锂枝晶”,刺穿隔膜与阴极连接造成短路,甚至引起电池的爆炸。因此,根据动力电池的特性和工作环境合理设计电池散热系统,不仅可提升整车续航性能,也可提升整车的安全可靠性。2动力电池的散热方式动力电池的热管理方式有很多种,在系统内部安装蒸发器、水泵、加热芯或燃料加热器的方式称为主动式冷却,只利用动力电池周围环境带走热量的方式成为被动式冷却。按照传热的方式又可以分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却等。对比热管理方式的特点,根据纯电动汽车不同的工作环境和电池充放电倍率选择合适的热
8、管理方法。2.1 空气冷却影响因素以空气为介质带走热量的方式称为空气冷却,散热原理如图1所示。按照是否有能源驱动分为自然冷却和强制冷却,按照通风方式分为串联通风(如图2)和并联通风(如图3)。自然冷却依靠自然风与电池的温度差冷却电池,由于自然风速对流强度不够,导致高倍率充放电时动力电池内部热量不能及时散出,强制冷却采取加装风扇或鼓风机的方式增加风速来提升换热效果。研究者对风冷结构做了大量研究,白帆飞等人4研究了上集流板倾斜角度、下集流板倾斜角度和电池组间距递减幅度等结构参数的变化对电池组温度和进出口压差的影响,研究结果表明,上集流板倾斜角度增大不利于控制温度场和进出口压差;下集流板倾斜角度增有
9、利于温度场,但会使进出口压差增大;电池组间距递减幅度的增大有利于有效抑制最高温度和模块间的温差,提高了温度一致性,并且能够降低进出口压差。彭影等人5采用双进双出的双向液冷管道布置方式对比了自然对流、环境风强制对流和空调风强制对流的换热效果。研究结果表明,强制对流冷却能够更有效地带出热量,满足高倍率充放电的工作要求,使用空调风强制对流,能够有效减少强制对流风扇噪声和功率消耗。风冷机组选择应注意结构内流道的尺寸、出风口的尺寸和不同出风口开闭策略,方凯等人6的研究结果表明,当系统为含有 4 个出口的风冷电池箱体结构时,以一定的周期规律性地开闭 1、2出风口和3、4 出风口,可以较好地改善电池组内温度
10、不均匀的情况。2.2 液体冷却影响因素随着对电动车续航性能和快速充电的要求越来越高,空气冷却难以将动力电池的温度控制在合理范围内,而且动力电池内部的温度一致性不理想。因此,液体冷却逐渐发展起来。液体冷却方式以液体作为冷媒带走动力电池产生的热量,按是否与电池接触分为直接式液体冷却和间接式液体冷却,按液体流道的方式分为板式冷却、管式冷却等,按是否有动力源驱动液体流动分为主动式冷却(如图4)和被动式冷却(如图5)。动力电池液冷系统的降温效果和电池内部温度的均匀性受多种因素的影响。液冷系统的液体管道形状影响冷却效果,安治国7等人研究发现,方形管道相比于圆形管道能够降低动力电池组的最高温度,但电池组内的
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