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    電動(dòng)汽車(chē)電池熱管理風(fēng)冷與液冷

    鋰離子電池包熱管理的要求是根據鋰離子電池發(fā)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(gè)單體電池工作在合理溫度范圍內的同時(shí)盡量維持包內各個(gè)電池及電池模塊間的溫度均勻性。

    動(dòng)力蓄電池熱管理系統(BTMS,Battery Thermal Management System)對純電動(dòng)汽車(chē)在各種環(huán)境下的動(dòng)力性有至關(guān)重要的影響。通過(guò)研究分析鋰離子電池產(chǎn)熱原理,BTMS傳熱冷卻方式,及風(fēng)冷散熱和液冷散熱方案的比較,說(shuō)明液冷散熱效果好于風(fēng)冷,液冷散熱將是未來(lái)適合復雜工況的大功率鋰離子動(dòng)力電池熱管理的重要研究方向。

    動(dòng)力蓄電池作為純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源,是提高整車(chē)性能和降低成本的關(guān)鍵一環(huán),其溫度特性直接影響電動(dòng)車(chē)的性能、壽命和耐久性。鋰離子電池因比能大、循環(huán)壽命長(cháng)、自放電率低、允許工作溫度范圍寬、低溫效應好等優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)車(chē)目前首選的動(dòng)力電池。鋰離子電池包熱管理的要求是根據鋰離子電池發(fā)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(gè)單體電池工作在合理溫度范圍內的同時(shí)盡量維持包內各個(gè)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(lián)的,任何一只電池性能下降都會(huì )影響電池組的整體表現。溫差為5℃、10℃、15℃時(shí),相同充電條件下電池組的荷電態(tài)分別下降10%、15%、20%。 

    鋰離子電池熱特性

    電池在充放電過(guò)程中都會(huì )發(fā)生一系列化學(xué)反應,從而產(chǎn)生熱反應。鋰離子動(dòng)力電池的主要產(chǎn)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(zhì)界面膜的分解。此外,由于電池內阻的存在,電流通過(guò)時(shí),會(huì )產(chǎn)生部分熱量。低溫時(shí)鋰離子電池主要以電阻產(chǎn)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(zhù)整個(gè)鋰電池的電池動(dòng)力體系的安全性能。

    實(shí)際運行環(huán)境中,動(dòng)力系統需要鋰離子電池具備大容量與大倍率放電等特點(diǎn),但同時(shí)產(chǎn)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(guān)重要。 

    BTMS傳熱冷卻方式

    BTMS中按照能量提供的來(lái)源分為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻,其中只利用周?chē)h(huán)境冷卻的方式為被動(dòng)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(dòng)元件包括蒸發(fā)器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等的方式為主動(dòng)式冷卻。按照傳質(zhì)的不同可以分為空氣強制對流、液體冷卻、相變材料(PCM,Phase Change Material)、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?chē)鷾囟鹊葢靡筮x擇不同的冷卻方式。

    空氣強制對流

    空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接讓空氣穿過(guò)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(wú)效的,強制空氣冷卻是通過(guò)運動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)將電池的熱量經(jīng)過(guò)排風(fēng)風(fēng)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(diǎn)設計??梢圆捎么?lián)式和并聯(lián)式通道。

    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(gè)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(huì )無(wú)限地提高溫度一致性。

    風(fēng)冷方式的主要優(yōu)點(diǎn)有:結構簡(jiǎn)單,重量相對較小沒(méi)有發(fā)生漏液的可能有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)成本較低。缺點(diǎn)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(lián)風(fēng)道中,放置6塊發(fā)熱電池,假設電池密度均勻(2700kg/m3),熱生成率相同(50000w/m3)??諝庖?m/s的速度流入,進(jìn)口溫度為25℃(298K),出口自由敞開(kāi),電池模型使用結構體網(wǎng)格,數量為25萬(wàn)個(gè)。

    通過(guò)仿真分析得到電池溫度表格如表1所示。串聯(lián)式流道整體溫差為5.6℃,并聯(lián)式流道整體溫差為3.0℃;串聯(lián)流道中間電池熱累計較多,整體溫度較高,一致性較差;并聯(lián)流道整體溫度較低,一致性較好;但因本例入口風(fēng)道為水平直角,故靠近入口電池溫度較高。若將風(fēng)口向上傾斜一定的角度,散熱效果會(huì )更好。因此,改變風(fēng)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(zhì)冷卻即可滿(mǎn)足要求,但在復雜工況下,液體冷卻才可達到動(dòng)力蓄電池的散熱要求。采用液體與外界空氣進(jìn)行熱交換把電池組產(chǎn)生的熱量送出,在模塊間布置管線(xiàn)或圍繞模塊布置夾套,或者把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中。若液體與模塊間采用傳熱管、夾套等,傳熱介質(zhì)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(zhì)傳熱液體中,必須采用絕緣措施防止短路。傳熱介質(zhì)和電池模塊壁之間進(jìn)行傳熱的速率主要取決于液體的熱導率、粘度、密度和流動(dòng)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(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗結果表明相對于液體冷卻/加熱,空氣介質(zhì)傳熱效果不是很明顯,但是系統不太復雜。對于并聯(lián)型混合動(dòng)力車(chē),空氣冷卻是滿(mǎn)足要求的,而純電動(dòng)汽車(chē)和串聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē),液體冷卻效果更好。

    通過(guò)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(lián)流道整體溫度低于串聯(lián)流道,溫度僅相差0.4℃。但從實(shí)際與設計角度考慮,串聯(lián)流道結構規整簡(jiǎn)單更適合產(chǎn)品設計。

    目前制造商不愿意選擇液體冷卻是因為密封不好會(huì )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(fēng)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(jìn)行比較。通過(guò)對上述內容研究表明:(1)風(fēng)冷在不同的流道下,對電池的溫度一致性影響較大,但并聯(lián)流道散熱效果好于串聯(lián)流道;(2)液冷無(wú)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(fēng)冷方式。隨著(zhù)電池模塊容量的增大,惡劣環(huán)境下運行對電池性能的要求越來(lái)越苛刻,高效的電池熱管理系統及其重要??諝鈴娭评鋮s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(lái)電池熱管理的重要研究發(fā)展方向。


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