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换电运营电动汽车动力电池热管理技术分析

  汽车热管理之家   2020-12-13 次浏览

摘要:为了提高电动汽车自然冷却形式电池的散热能力,在普通结构电池包基础上,提出了一种新的动力电池导热结构。建立导热结构和普通结构电池仿真模型,并采用仿真计算和试验测试相结合的方法,验证了仿真模型的正确性。基于仿真模型,对比分析了城市工况和爬坡工况下换电运营电动车导热结构和普通结构动力电池的电芯温度变化情况。结果表明:换电电动车在城市工况和爬坡工况运营过程中,导热结构电池包相较于普通结构,电芯平均温度下降更快,且温度普遍较低,有利于提升电动车动力电池安全性能及寿命。
随着能源枯竭和环境污染问题的加剧[1],电动汽车作为一种清洁、高效、低污染的新能源汽车,受到人们越来越多的重视[2]。但是电动汽车的发展还存在很多瓶颈,特别是动力电池的技术性能突破受到许多外界条件的限制,尤其是热管理性能的制约,而热管理性能是影响动力电池性能至关重要的因素[3]。过高的温度会导致电池的容量、寿命和能量效率的降低[4],若电池积聚的热量无法及时散出,会导致热失控的产生,严重时电池有发生剧烈膨胀和爆炸的危险[5]。所以,针对电动汽车动力电池热管理技术的研究,是非常有必要的。文章从动力电池导热结构上展开研究,基于仿真模型,分析了不同整车工况下换电运营电动车动力电池的温度变化情况,为提升电动汽车动力电池热管理性能提供一定的技术参考。

1 电动汽车电池热管理技术

通常来说,电动汽车动力电池热管理技术主要包括三大方面:冷却、加热及保温[6]。其中,冷却热管理技术的基本技术路线有:以空气为介质的热管理技术(简称风冷),以液体为介质的热管理技术(简称液冷),以制冷剂为介质的热管理技术(简称直冷),以相变材料为介质的热管理技术(简称相变冷却)。冷却热管理技术的应用场合根据动力电池产热率和温度环境的不同而不同。对于动力电池产热率较小、工作温度较低的电动汽车而言,可以考虑采用风冷技术,其主要包括自然冷却和强制风冷。
目前,对于电动汽车,电能补给模式主要有交流慢充、直流快充和电池快速更换3 种。其中,采用电池快速更换的电动汽车,电池充电主要在换电站中进行,这种模式既能满足车辆运行需求,又能避免电池快充对寿命产生影响[7]。换电运营电动车由于运营工况较好、电池包整体温升较小,同时考虑到动力电池在频繁拆换过程中,自然冷却系统结构简单、技术成熟可靠、成本低、安全无泄漏及便于维护的优点,所以文章主要对动力电池包自然冷却热管理技术进行研究。

2 仿真模型的建立及验证

对于自然冷却形式的电池包温度的控制,主要是通过电池包内导热介质将模组内电芯产生的热量传导到电池包外部,从而降低电芯温度,提升电池的容量、寿命及能量效率。图1 示出电动汽车电池包导热结构形式对比。电池包内导热方式,如图1a 所示,即电池模组与箱体之间,除了一些支撑金属件外,主要为空气层材料,电芯的发热量通过模组传递给空气层,空气层再经过箱体后,热量传递到电池包外。文章在电池包内设计一种新的导热方式,如图1b 所示,即在电池模组和电池下箱体之间覆盖一层导热硅胶,电芯的发热量通过模组传递给导热硅胶,再经过箱体后,热量传递到电池包外,由于导热硅胶良好的导热特性,模组内的热量能更好地散出电池包外。
图1 电动汽车电池包导热结构形式对比图
根据某车型及其动力电池包数据,建立整车及动力电池热仿真模型,如图2所示。
图2 整车及动力电池热仿真模型显示界面
为验证仿真模型的正确性,文章前期调研了换电运营电动汽车的实际运行工况,并设计了运行工况[8],如图3所示。在此运行工况下,通过试验对普通结构和导热结构的电池包进行充放电测试,得到2 种结构形式动力电池的温度变化曲线,并与相应的电池热仿真模型温度结果进行对比,对比结果,如图4所示。
图3 换电运营电动汽车运行工况示意图
图4 电动汽车不同结构形式动力电池仿真与实测温度变化曲线图
通过仿真结果与实测结果对比,可以发现导热结构与普通结构电池热仿真结果与实测数据温度变化趋势一致。在放电终止时刻,导热结构电池包电芯实测温度为40.34 ℃,仿真温度为40.56 ℃;普通结构电池包电芯实测温度为34.25 ℃,仿真温度为34.40 ℃。在充电终止时,导热结构电池包电芯实测温度为38.84 ℃,仿真温度为38.75 ℃;普通结构电池包电芯实测温度为40.32 ℃,仿真温度为40.42 ℃。可以看出,实测温度与仿真温度结果相差不大,最大差值仅为0.25 ℃,说明文章中所建立的仿真模型能真实地反映换电运营电动汽车运行过程中电池电芯的实际温度变化情况。

3 不同车辆运行工况下动力电池热仿真计算

基于建立的仿真模型,为分析换电运营电动汽车电池包导热结构与普通结构对电池包电芯温度的影响,按照企业标准要求,在城市工况及爬坡工况下,仿真对比2 种结构形式动力电池的温度变化结果。

3.1 城市工况下换电电池热仿真计算

城市工况下,换电运营电动车的实际工况和环境温度变化,如图5所示。城市工况按2 天进行,1 天中分为2 段WLTC 工况运营过程及2 段充电过程,其中WLTC 工况运营过程持续6 h。充电过程中,电池包从电动车换下后,置于换电站25 ℃环境中,持续2.5 h,最后经历室外过夜的过程,此时电池包处于7 h 静置状态。第2 天,电动汽车重复前一天的运营过程。电动汽车运营过程中,环境温度的变化根据运营当地的温度变化进行设置。
图5 换电运营电动汽车城市运行工况及对应环境温度变化曲线图显示界面
图6 示出城市运行工况下不同结构形式动力电池温度变化曲线。从图6 可以看出,在第1 天的初始WLTC 工况中,由于外界环境温度较高,导热结构电池包平均温度比普通结构略高一些。充电过程中,电池包从电动汽车上拆下后置于换电站中,换电站环境温度为25 ℃,温度较低,导热结构电池包由于导热性较好,电芯平均温度较普通结构下降快。在室外过夜过程中,由于静置时间较长,环境温度较低,导热结构电池包电芯平均温度下降较快,温度较普通结构电池包更低。在2 天的运行工况中,经历第1 次充电过程后,导热结构电池包电芯平均温度均低于普通结构。其中,导热结构电池包电芯平均温度最高值出现在第2 天第1 个WLTC 工况终止时刻,为41.7 ℃。普通结构电池包电芯的平均温度出现在第2 天第2 个充电过程中,为53.02 ℃。通过对比发现,在电动车运营过程中,导热结构电池包相较于普通结构,电芯平均温度下降更快,且温度普遍较低,有利于换电运营电动车动力电池安全性能及寿命的提升。
图6 城市运行工况下电动汽车不同结构形式动力电池温度变化曲线图

3.2 爬坡工况下换电电池热仿真计算

对爬坡工况下的换电运营电动车动力电池发热情况进行仿真,如表1所示。
表1 换电运营电动车动力电池爬坡工况条件参数表
在2 种爬坡工况下,导热结构与普通结构动力电池温度变化曲线,如图7所示。按动力电池SOC 由95%降到5%的持续时间进行计算。从图7 可以看到,爬坡工况2 由于工况条件比较苛刻,持续时间较爬坡工况1短,而温升远高于爬坡工况1。爬坡工况1 中,初始放电时间段内导热结构与普通结构电池包电芯平均温度差距较小,持续时间越长差距越大,截止到放电终止时刻(4 604 s),导热结构电池包电芯平均温度为42.53 ℃,普通结构电池包电芯平均温度为43.17 ℃;爬坡工况2中,放电时间段内导热结构与普通结构电池包电芯平均温度差距变化趋势与爬坡工况1 一致,截止到放电终止时刻(2 476 s),导热结构电池包电芯平均温度为47.71 ℃,普通结构电池包电芯平均温度为48.44 ℃。
图7 电动汽车爬坡运行工况下不同结构形式动力电池温度变化曲线图
综合来看,爬坡工况下,由于持续时间较短,导热结构与普通结构电池包电芯平均温度差异较小。放电过程中,电芯发热量一定,而导热结构电池包由于散热能力较好,电芯平均温度会低于普通结构电池包。所以,爬坡工况下导热结构电池包会优于普通结构电池包,因为其较低的电芯工作温度,会提升换电运营电动车动力电池的安全性能及寿命。

4 结论

对于换电运营电动汽车,由于运营工况较好,电池包整体温升较小,同时考虑到动力电池在频繁拆换过程中,需要保证更加成熟可靠的技术及安全性能,采用自然冷却热管理方式的动力电池是一种较好的选择。基于此,不同于普通结构形式电池包,文章提出了一种新的动力电池导热结构形式。根据提出的导热结构与普通结构,建立了相应的仿真模型,并按照设定工况,进行了仿真计算与试验测试。通过仿真与试验结果对比,在仿真模型正确性得到验证的基础上,按照企业标准要求,对城市工况及爬坡工况下2 种结构形式动力电池的温度变化结果进行了仿真对比。
根据仿真结果可以得到,相较于普通结构,导热结构电池包由于介质导热性能较好,所以整包散热性能较好,电芯平均温度较低,有利于动力电池安全性能的提高和寿命的延长,对换电运营电动车动力电池包的设计具有较高的参考意义。
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