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基于热管技术的锂离子动力电池热管理系统研究进展

   次浏览   本站   2020-12-04

电动汽车的发展和普及关键在于动力电池安全可靠性及其成本问题得到解决,未来汽车厂商之间的竞争,也主要是所装配动力电池性能的竞争,动力电池是技术核心的地位将长期存在[6]。目前已应用于电动汽车中的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池[7]。铅酸电池最早应用于电动汽车中,但由于其高污染和低能量密度等特点已逐渐被市场淘汰。镍氢电池的应用比较成熟,为现代电动汽车的主流电源。新兴的锂离子电池则以其能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点得到越来越多汽车产商的关注和青睐[8]。

Alvani-Soltani 的研究指出,温度的不均匀分布或温度变化过大等因素会导致电池的早期损坏与热失控,甚至引发安全事故[15]。因此锂离子电池的热安全问题限制了其在电动汽车中的广泛应用,因而更迫切地需要能够对电池模块热行为进行控制与管理的热管理系统。

现已应用锂离子动力电池的部分电动汽车品牌及其电池类型可整理如表 1。

由表 1 可以看到,目前应用的锂离子电池组总电压高,单体电池电流大。实际应用中,动力电池表面的热流密度一般在 103~104 数量级,属于高热流密度的电子元件,亟需高效的散热技术对其进行控制和管理。与此同时,与一般电子元件不同,应用于电动汽车中的电池由多达数十数百个电池串并联连接共同工作,电池温度过高会引发漏液、失效、着火等情况,严重时还会发生剧烈燃烧或爆炸,引发安全事故和人身伤亡。其后果严重性是一般电子散热问题无法比拟的,应当予以高度关注。



1常用热管理技术

动力电池热管理的研究工作始于 20 世纪末。近年来,电动汽车的快速发展对电池动力性能提出了新的要求,电池热管理的需求也日益迫切。根据采用的传热介质,主要有基于气体(空气)、液体、相变材料或其几种方式耦合的电池热管理系统。

1.1 空气冷却技术

由于空气廉价易得,且对电池没有腐蚀也不影响电池内部的电化学反应,应用空气作为换热流体,对电池进行散/加热成为最简易的一种热管理手段[17],也是目前电池热管理系统研究中最多的一种冷却方式。

目前对空气冷却式热管理系统的研究主要包括电池排列方式、电池间距、风道、风速或风量等因素对系统热管理能力的影响。

天津大学 Xun 等[18]对平板型和柱形电池进行风冷散热通道的设计,主要考虑冷却通道的紧凑度和散热效率,运用 Fluent 和解析法分别计算并对比了相关结果。墨尔本大学 Fan 等[19]运用 Fluent 分析板式电池的排列间隔及风量大小对于电池散热效果的影响,研究了常规等间距排列情况,并提出不均匀间距设计和单面迎风设计方案。韩国 Hyundai 公司的 Park Heesung[20]运用数值模拟方法对混合动力汽车的风冷式电池热管理系统进行风道设计,模拟结果表明,非同侧进出口位置的设计能有效地降低电池模块的最高温和单体间的温度差异;附加通风口设计能有效降低压降,提高空气流速使得散热更充分,电池模块的温度分布更均匀。Park Sungjin等[21]运用数值分析方法,考察电池组排列方式对热管理系统的总耗能影响,分析结果表明,紧密排列的小间距宽扁型电池组模块类型总耗能最小,所需冷却风量也最小,达到耗能和风量要求的最优化设计。

但随着锂离子的电池热负荷越来越大,传统的强制空冷也已逐渐不能满足要求。对于大规模的锂离子电池来说,由于其热导率较低,电池排列紧密,电池箱体空间有限,热传导的弛豫时间较长,仅用空气冷却是不够的[22]。Wu等[23]通过实验和仿真指出,锂离子电池组靠自然对流并不有效,强制对流能在一定程度上缓和电池温度的升高,但单体间的温差很大。Sabbah 等[24]也指出采用风冷系统时电池单体的温差较大。其次,由于自然对流情况下,风的换热系数很小,因而实际应用时通常需要增加辅助设备,如风机、风扇等,从而使得散热结构过于庞大和复杂。Nelson 等[25]详细讨论了风冷系统在混合动力汽车上的应用,提出风冷系统耗能高,增加了额外的动力设备;同时需要设计单体电池之间的平行风道,增加了系统的复杂性,降低了其有效的能量密度。

1.2 液体冷却技术

考虑空气与壁面之间的换热系数很低,采取高传热系数的换热流体取代空气成为强化热管理系统能力的必然手段。

液体冷却可以分为直接接触和非直接接触两种方式。非直接接触式液冷须应用水冷套等换热器件,并需要设计与电池组整合方可实现冷却,换热能力受到损失,系统维护成本大大升高。直接接触式通常采用换热系数高且不导电的换热流体,常用的有矿物油、乙二醇等。非直接接触式的液冷系统则可采用水、防冻液等作为换热工质[26]。

液冷方式的主要优点有:与电池壁面之间换热系数高,冷却、加热速度快。主要缺点有:存在漏液的可能;质量相对较大;维修和保养复杂;需要水套、换热器等部件,结构相对复杂。电动汽车的动力电池模块成本高,个数多,质量大,体积大。附加的热管理系统应当在不损耗电池本身能量的基础上尽可能地降低总质量,减少额外耗能,实现汽车轻量化的要求;同时热管理系统还应该考虑对电池及其线路的保护,有效延长电池的使用寿命,降低电子电路故障的危险性。由此,液体冷却不仅需要复杂的系统结构设计以满足流体的循环和对漏液的防护,而且需要选择合适的换热流体,既保证较高的换热系数,又应对电池无腐蚀且不易导电等。这也是目前液体冷却较少应用于电池热管理系统中的重要原因。

1.3 相变材料冷却技术

使用相变材料(phase change material,PCM)作为散热媒介,成为了一种更轻便且无需增加额外耗能设备的热管理系统,得到了普遍关注。

应用了相变材料的热管理系统是由Selman等[27] 首先提出并获得专利的。Selman等认为,应用相变材料进行电池热管理,不仅体积得到有效缩减,散热效果也比对流散热效果更为显著。

此后,Siddique等[28]设计了 PCM 热管理系统对锂离子电池模块进行热管理。分析结果表明,与风冷系统相比,以石蜡/泡沫铝为复合相变材料的热管理系统使电池的温度下降了 25℃,热管理效果得到有效提升。此外,耦合了翅片散热与复合相变材料(石蜡/泡沫铝)的热管理系统,可以满足更为复杂的工况条件,有效防范锂离子电池的热失效情况及其引发的安全事故。Kizilel 等[29]报道了采用相变材料的电池热管理系统在大电流和高环境温度下的性能,比较了室温和高放电速率(4.4A、8.8A)情况下两种排列(8×2、4×4)锂离子电池堆的温升、温度均匀性和容量的衰减程度。结果表明,使用相变材料的电池堆在恶劣条件下的放电是安全的,容量降低的速率减低一半。Sabbah 等[24]比较了采用相变材料与采用强制空气冷却的锂电池热管理系统,结果表明,极端条件下,强制空气冷却的锂电池热管理系统在不使用足够外部能量时无法将温度控制在安全范围内,而采用相变材料则能满足要求。Duan等[30]设计了两种 PCM 热管理方案:一是PCM以柱状形式包裹加热器,二是 PCM 以套管夹层形式包裹加热器,并以可视化实验验证了以上两种PCM热管理方案的可行性,为PCM应用于电池热管理系统的设计提供了新的思路。

由于相变材料的传热系数低,导热能力较差,容易导致热量积聚,在大电流大功率或极端天气工况下不仅热管理效率明显降低,甚至还会因热量不能及时导出带来电池堆过热等一系列安全隐患[31-34]。因此相变材料一般作为辅助手段与空气冷却、液体冷却等传统技术相结合以弥补其能力的不足。另外,相变材料体积大、质量大,加重了汽车的整体质量,增加了电池的运行负荷,限制了电动汽车轻量化高能量化的进一步发展。

2热管冷却技术

目前在对电动汽车动力电池的热管理中,应用热管作为散热手段的研究还不多,主要成果尚处于实验室研究阶段,真正投入实际应用的几乎还没有。研究中已使用的热管主要包括回路型重力热管,脉动热管、烧结热管和平板环路热管。

文献[23]报道了利用两根带铝肋片的热管给锂离子电池散热的实验。实验中电池的温度显著降低,电池表面温差大大缩小。Jang 等[35]采用了回路型重力热管和风冷相结合的方式对大功率电池进行散热实验(图 2)。实验表明,以水为热管工质时,电池表面温度低于 50℃,而以丙酮为热管工质时电池表面的平均温度可控制在 45℃。Jang 等指出,热管适用于未来的EV(electric vehicle)和HEV(hybridelectric vehicle )电池热管理。

Swanepoel 等[36]采用了脉动热管对电池进行热管理,并将电池放在车后备箱,如图3所示。其仿真和实验说明了应控制以氨水为工质的脉动热管的宽度 d小于2.5mm,以保证使脉动热管在电池热管理中的启动以及散热效率。

在我国,热管散热技术应用在动力电池散热上报道尚少,应用于锂离子电池系统则更为少见。饶中浩等[37]设计了以烧结热管为电池散热的热管理方式,其实验装置可见图 4。实验结果说明了在 50W热负荷条件下,采用烧结热管能将系统的温度控制在 50℃以下,在 30W 条件下系统表面温差不超过5℃;且在变工况以及循环测试中,采用了烧结热管作为热管理的系统仍能保证在合理温度区间能运行。张维[39]在电动汽车电池热管理系统的应用背景下,研究了微小平板型环路热管和相变材料耦合散热对电池的最高工作温度和温度分布的影响。实验表明,在相同放置方式和相同功率的条件下,微小型环路热管和相变材料耦合散热时,电池的最高温度保持低于最佳工作温度上限 50℃的时间最长,微小型环路热管系统其次,自然风冷系统最短。同一个散热系统,在相同的功率下,竖直放置比水平放置的安全工作时间更长。胡小峰[39]采用无机超导热管结合汽车行驶过程中高速流动的空气对圆柱型锂离子电池进行散热,在放电电流为 5A、7.5A、10A等条件下进行无机超导热管冷却电池实验,电池表面最高温度不超过50℃,并对比了风冷强制散热与自然对流散热的不同效果,论证了无机超导热管散热系统的散热效果的可行性。同时采用 Fluent 对所设计模型进行的仿真结果也与实验结果吻合良好。齐晓霞等[40]指出,热管是一种较好的热桥,其多样化的形式和灵活的布置位置,若结合其他强制冷却方式能获得较好的效果,尤其是小型热管技术的发展能给动力电池的安全长效运行带来更大的发展空间。



3结语与展望

相对其他动力电池,锂离子动力电池对工作温度要求更为苛刻,在中小倍率长时间充放电以及大倍率短时间充放电情况下产热量都很大,严重影响电池的正常运行,甚至危及汽车安全。纵观现有的热管理技术可以发现,单一的传统冷却手段难以满足锂离子动力电池的散热要求,综合运用两种或多种热管理技术的复合型热管理系统将成为未来解决锂离子电池热安全性问题的主流。同时,目前应用的热管理系统主要从散热能力出发,较少考虑热管理系统对电池系统甚至整车环境的影响,导致现有的热管理系统存在结构复杂、质量和体积过大等缺陷,不仅不利于电池箱体设计,不利于电池箱体在整车内的布置,而且复杂沉重的系统给电池增加了额外的功耗,也不适用于未来汽车轻量化的发展趋势。



因此,未来的锂离子动力电池热管理系统研究应兼顾减小体积和质量,简化结构和安装,降低二次能耗等几个方面。建议具体措施如下。

(1)开发超薄型热管技术。超薄型热管能够与电池紧密接触,同时减小了体积与质量,使得整个电池模块结构紧凑,便于整车设计和安装。

(2)发展超薄型热管与相变材料耦合的热管理技术。应用相变材料潜热蓄能的优点,与超薄型热管耦合可提高热管理系统的热容,做到高温时散热,低温时保温,保障电池始终工作于合理的温度区间内。

4多重考虑

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