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动力电池热管理技术

特普生科技 特普生科技 2023-04-07 12 4240
在推进绿色低碳转型的新时代背景下,新能源汽车产销量逐年攀升,新能源汽车已经成为降低汽车工业石油依赖和排气污染的重要途径。政府为推进新能源汽车工业,发布了一系列发展规划、财政补贴和税务鼓励计划,促进新能源汽车行业的发展。

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在电动汽车快速发展过程中,热失控问题越来越显著,研究电动汽车电池热管理技术对解决这一问题具有积极意义。
电池组是电动汽车的主要储能部件,由锂电池组成,直接影响到电动车的性能。为了使电池组发挥最佳的性能和寿命,就需要优化电池包的结构,设计能够适应高温和低温的电动汽车电池包热管理系统BTMS。
新能源汽车电池系统热管理技术现状
锂离子电池热管理系统冷却技术的实质是通过冷却媒介把电池内部的热量传递到外界环境中,从而降低电池内部温度的热交换过程。根据冷却介质的不同可分为:空气冷却散热、液冷冷却散热、固体相变材料散热和热管冷却散热等方式,前三种是现有的主要散热技术。

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1.空冷式散热系统
空冷式散热系统也称风冷式散热系统。这种散热方式最简单,只需让空气流经电池表面带走动力电池所产生的热量,达到对动力电池组散热的目的。
根据通风措施(有无风扇等外部设备)的不同,空冷式又细分为:自然对流散热与强制通风散热,主要利用电池传热机理中的对流换热原理。
自然对流散热
不依靠外部附加的强制通风措施(如加风机等),只是通过电池包内部流体自身因温度变化而产生的气流进行冷却散热的系统。
强制通风散热
在自然对流散热基础上加了相应的强制通风技术的散热系统。
根据按电池排列方式,空气冷却系统结构可分为串联式、并联式系统。但该种方式效果较差,且很难达到较高的电池均温性。空气冷却系统的结构设计简单,成本低,但是其散热效果不明显,动力电池难以维持在正常温度范围内工作。通过改变电池的排列方式、风道、电池间距和风速等设计优化空气冷却系统,可以使电池热管理系统达到更好的散热效果。

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串联风冷散热/并联风冷散热
2.液冷式散热系统
该系统是指制冷剂以直接或间接地接触动力电池,利用对流换热原理,通过液态流体的循环流动把电池包内产生的热量带走,从而达到散热效果的一种散热系统。
制冷剂(冷却液)
拥有较高的导热率,有较好的散热效果,可以是水、水和乙二醇的混合物、矿物质油和R134a等,当前动力电池的液冷技术拥有成熟的技术,在电动汽车的散热系统中得到广泛应用,比如,特斯拉电池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散热,宝马i3采用R134a进行散热。
以冷却液是否接触电池组可分为直接冷却、间接冷却。液体比空气的对流换热系数大,散热效果更好, 但结构复杂,密封条件要求高,设计维护成本相对较高。
液体冷却技术中,结构设计主要有流道结构设计、冷却板布置形式设计。液冷式系统往往要求更复杂、更严苛的结构设计,以防止液态制冷剂的泄漏,并保证电池包内电池单体之间的均匀性。但是其复杂结构也使得整套散热系统十分笨重,即增加了整车重量,又使得维护和保养相对困难,维护成本也相应增加。

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液冷系统图

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动力电池包液冷结构散热方式

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特斯拉电池包液冷散热图
3.相变材料式散热系统
相变材料式散热系统是以相变材料作为传热介质,利 用其在相变反应过程中物理状态发生变化吸收(或释放)电池的热量,这种冷却技术温控效果和均温能力较好,但是材料价格昂贵。
相变材料在液态、固态、汽态之间转变时会吸收(或释放)大量的热,温度基本保持不变 。相变材料导热和吸热性能显著,当电池组内部某个单体电池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。
为了改变材料缺陷,会向相变材料中填充些金属材料,例如将很薄的铝板填充到相变材料中,以达到提高热导率的目的。为提高相变材料的热导率,还有人填充碳纤维、碳纳米管等。

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相变材料包裹电池式结构
4.热管式散热系统
热管作为一种高效的导热原件,能够快速高效地把热能从一个地方输送到另一个地方,也就是能够把热量快速有效地在两个物体间进行传输。在电动汽车的热管理系统中,国内外很多学者也把热管这一导热原件应用到动力电池的散热中。
与传统的强制对流散热系统相比,在引入热管的散热系统中,动力电池不仅能维持在正常工作的温度范围内,而且各电池单体之间也能够保持温度的均匀性,这是强制冷却散热系统所不能达到的效果。但其质量和体积过大,存在换热极限。

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热管冷却
5.电动车电池加热系统
锂离子动力电池在低温环境下工作时会影响其使用性能,通过电池加热技术可以提升电池的性能。为了使电池适应低温环境的加热方式,加热系统主要由加热元件和电路组成,其中加热元件是最重要的部分。
常见的加热元件有:可变电阻加热元件(PTC,positive temperature coefficient)、恒定电阻加热元件,通常由金属加热丝组成的加热膜,如硅胶加热膜、挠性电加热膜等。

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