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新能源电动车动力电池温度管理系统的设计

特普生科技 特普生科技 2022-08-13 12 353

动力电池温度管理系统的设计目标:调整电池温度,使其保持在电池适宜工作的温度范围;减小电池包内最高温度和最低温度的差异。

特普生电池温度管理.jpg

1、液冷系统组成

液冷系统,是当前动力电池热管理的热门研究方向,利用冷却液热容量大且通过循环可以带走电池系统多余热量的性能,实现电池包的最佳工作温度条件。

液冷统的基本组成包括:电动水泵,电芯散热器(间接冷却),温度传感器,空调系统(压缩机,冷凝器,蒸发器)、加热器,液液热交换器。其中,空调系统负责高温工况提供冷却功能;加热器,低温工况,负责给冷却液加热。

2、热传递原理

热管理系统的设计初衷是转移动力电池在充放电过程中的多余热量,保持电池在适宜的范围内工作,并且不同位置的电芯,温度差异不能太大。这样,既可以减缓电池的老化速度,又可以减缓不同电芯之间的差异化程度的加深。

之所以存在着空气冷却、液冷等不同的冷却形式,主要是热量传递的介质不同,原理上,需要从热量的不同传递方式说起。热量的传播,主要的存在着三种形式:热辐射、热传导和对流。

热辐射:温度高于绝对零度的物体都在进行热辐射,热辐射不需要介质不需要接触,以电磁波的形式向外传递热量。太阳传递给地球的热量就是热辐射的典型过程。

热传导:热量通过介质,从高温区域传递至低温区域的过程。与热辐射不同的是热传导需要存在两个条件:温差和介质。

对流:流体内部,由温差驱动的相对流动。

热量,在动力电池单体内部,主要以热传导的方式向电池表面传递,再以辐射和对流的方式向周围空间传播。如果系统中加入了热管理系统,则传热过程被部分的改变。比如间接散热方式,热量从电池表面,主要以热传导的方式传递给散热器壳体,再由壳体以热传导的方式传递到散热器流道表面;热量从流道表面热传导的方式传递给冷却液,冷却液以对流的方式将热量在冷却液内部传递,并跟随冷却液的受迫流动传递至电池包外部。

3、电池包的热管理方案

电池包的热管理方案,涉及到三个方面的措施:电池组的冷却、电池组低温预热、电池组保温。

电池组的冷却

液冷系统的冷却功能,主要以循环低温冷却液的方式实现。如果出现所需散热功率比较小的情形,由于冷却液自身热容量比较大,则可以不必起动循环过程,已经可以满足设定的温度范围要求。

电池组冷却的形式主要有两种,直接冷却和间接冷却。直接冷却,是冷却介质直接从电芯表面流过,带走多余热量;间接冷却,是冷却介质在管道和散热器的流道中流过,散热器与电芯接触,将电芯热量传递给冷却介质。

电池组的低温预热

本来,压缩机可以具备制热功能,但其低温制热效果不佳,且耗电量比较大,对于动力电池的续航能力造成很大的影响;同时,温度过低环境下,电池包放电功率过低或者根本低于放电最低温度而无法放电。因此给热管理策略中设计了汽车起动之前的预热过程。

电池组低温预热,有两种基本形式:内部加热和外部加热。

内部加热:利用电池包外部的交流电源,给电池电解液加热,直至达到电池包适用的温度范围为止。生热的部件是电池自身,因此称为内部加热。

外部加热:利用外部电源,给电池以外的介质加热,介质将热量传递给电池,逐步提高电池温度,直至电池适宜的温度范围。外部介质包括空气介质和液体介质,生热的元件有PTC和加热膜等。

外部加热是比较常用的方式。一般的实现形式是,电池包内部装备有加热器,不使用动力电池的电力,而是在停车状态,接通电池包以外的电源,给PTC或者加热膜供电。外部电源一般都是来自大电网的电能,加热器可以按照适用的最大功率工作,而不必担心电能浪费的问题,整体加热速率比较高。

电池组保温

在低温地区应用的动力电池包,箱体一般需要设计保温措施,用来减缓预热热量的散失。防止行车途中短时停车时,电池再次降低到工作温度以下。有实验表明,环境温度零下20℃,预热过程中,将电池加热至25℃,车辆静置8小时,温度下降至18℃左右。

保温措施并不是每台具备热管理功能的车辆都设置的。车辆预热,电池包进入工作状态以后,电池自身会产生大量的热,如果不是极寒环境以及没有长时间停车的需要,则电池包运行温度可以依靠自身发热维持。

4、影响冷却效果的主要因素

冷却液的温度。在冷却过程中,冷却液的温度越低,电池的最高和最低温度都相应低,但两者的差距大。在加热过程中,冷却液的温度越高,则电池的温差也大。也就是说,冷却液与电池温差越大,则会造成电池组内部不同位置的电芯产生较大的温差。

这个现象主要与不同位置电芯受热管理系统的温度调节影响程度不同有关。有的电芯与散热器接触面积大,有的比较小;另一方面,冷却液在电池包内部循环过程中,从进口到出口,温度一直在发生变化。在不同位置,冷却液与相同本体温度的电芯,温差反而不同,只有精确的热设计可以解决这个问题,而不是简单的调节冷却液温度就能做到的。

冷却液流量。冷却液的流量越大在相同时间段内带走的热量越多。有仿真专门观察了液冷模型,其他参数不变,只调节冷却液流量的情况下,冷却液流量对冷却效果的影响。随着冷却液流量的增加,电池系统的最高温度在降低,但温差在增大。越过一个温差最高点以后,流量继续增加,温差转而开始减小。后面流量继续增加的过程中,最高温度和温差都单向一直在减小。

流量增加的前半部分过程,最高温度下降、温差增加,其原因与冷却液温度持续下降的效果一致,都与具体的热结构设计有关,不同的冷却效果带来不同的温度变化量。在流量增加测试后半部分,随着流量的增加,温差开始减小并持续减小,是因为,冷却液的流量增大到一定程度,相对于冷却液的吸热能力,电池传递给冷却液的热量相对变小。这样,一方面,对冷却液的温度影响变小,距离系统进口远近不同位置的冷却液,温差越来越小;另一方面,不同电芯传热面积的差异带来的传热能力的差异,相对也在变小。于是,系统的整体温差持续降低。

但流量不可以持续提升。一方面与消耗能量的大小有关,必然选择一个性价比最好的流量。另一方面,长期保持大流量,是对冷却液循环系统强度的考验,设备寿命可能降低,同时,事故风险上升。

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