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基于液体的动力电池热管理系统性能研究

   次浏览   中航锂电(洛阳)有限公司   2020-12-20

摘要:为延长电池使用寿命,提高电池安全性,需要对电池进行热管理。电动汽车动力电池热管理系统在理论分析、仿真建模、实验验证基础上开展设计工作,综合考虑了电池产热原理、产热模型、发热功率后,确定了基于液体的热管理模式。使用CFD软件对所设计系统进行仿真和分析,并对工程样机热管理有效性进行了实验验证。
当前,整个电动汽车行业蓬勃发展。电池是电动汽车核心部件,电池的热特性对整车性能、安全性、寿命及使用成本产生关键影响。
配置电池热管理系统是改善电池组热特性关键措施之一,系统热管理功能包括:(1)在电池温度较高时进行有效散热,防止产生热失控事故;(2)在电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充放电性能和安全性;(3)减小电池组内的温度差异,抑制局部热区的形成,防止高温电池过快衰减而降低电池组整体寿命[1]
电池热管理按照能量提供的来源分为被动式冷却和主动式冷却,其中只利用周围环境冷却的方式为被动式冷却。随着国家对电池能量密度、安全性、使用寿命以及快充要求的不断提高,被动式的自然冷却技术已经不能满足电池散热要求。当前主要的主动式热管理形式有空气强制对流热管理、液体热管理、热管热管理和相变材料热管理等,而液体热管理受到越来越多厂商的青睐[2-4],特别是国外车企对于液体热管理技术研究起步早,已经取得了一定成果,国内还处于研究探索阶段。
Tesla Motors公司的Roadster纯电动汽车采用了液冷式电池热管理系统。冷却管道曲折布置在电池间,冷却液在管道内部流动,传输电池产生的热量。报告显示在行驶约16万公里后,Roadster电池组的容量仍能维持在初始容量的80%~85%,而且容量衰减只与行驶里程数明显相关,而与环境温度、车龄关系不明显[1,5]
奥迪的A3油电混合动力车,内部搭载有8个模块共计96个能量存储单元。其热管理同样采用的是液冷式方案,在两个电池模块中间配备一块冷板,将两个紧邻电池模块中部累积的热量通过冷板迅速传导出来,从而有效控制整体温升以及整个模块的温度一致性。
通用汽车公司的Volt插电式混合动力汽车使用了288只45 Ah的层叠式锂离子电池。热管理系统采用了液冷式设计方案,单体电池间隔布置了金属散热片(厚度为1 mm),散热片上刻有流道槽,冷却液在流道槽内流动并带走热量。在低温环境下,加热线圈可以加热冷却液使电池升温。Volt的电池组内的温度差可控制在2℃以内,有力地支持了8年的电池组寿命保证期[1]
为了开发高效液体热管理系统进行了基于液体热管理电池组的CFD仿真、设计和验证工作。

1 电池产热模型

一般而言,锂离子电池中包括5种热源,分别为:不可逆热阻生热、可逆熵热、混合热、相变热和反应热。Bernardi和Newman从电池能量守恒出发,认为电池内部热量是均匀产生的,第一次提出了锂离子电池热生成率的一般表达式。在锂离子电池中,反应热和相变热较其他几个热源小几个数量级,通常忽略不计[6-10],因此热生成率的表达式为:
式中:U为电池开路电压;I为电池电流;V为电池负载电势。以上三项分别表示不可逆内阻热、可逆熵热和混合热。
随后Thomas和Newman证实,在电池的设计过程中,如果减小极化浓度差,混合热也可以忽略不计,式(1)可以简化为:
电池内部的温度分布可根据经典热传导方程:
式中:ρ为电池密度;Cp为比热;ki为电池在i方向上的导热系数(i=xyz);q 为热生成率;qcon为散热率。
通过上述模型可以得到电池的热生成率、比热容、导热系数,为热管理设计和仿真分析奠定基础。

2 液冷模式电池热管理设计

2.1 系统组成

基于液体的热管理系统可同时实现对电池冷却和加热,系统主要包括液冷板、管路、低温散热器、电池冷却器、冷却液循环泵、PTC水加热器、水箱以及冷源等。其中低温散热器、电池冷却器、循环水泵、PTC水加热器和整车热管理系统集成或者集成于独立冷源。

2.2 系统原理

基于液体的电动汽车动力电池热管理具体工作原理如图1所示。
图1 液体热管理系统原理图
电池包不需要冷却时(如电池包内温度25℃),则不启动制冷系统和电池包液冷系统。
低温散热工况:当外界环境温度不高(如10℃),电池包内部温度较高(如35℃)时,暂不用开启空调压缩机,通过循环泵使冷却液在液冷系统循环,带走电池热量,最终热量通过低温散热器散发,从而达到对电池包的降温的目的。
高温散热工况:当外界环境温度较高(如40℃),电池包内部温度较高(如45℃)时,此时温差较小,如果只通过低温散热循环来冷却电池包比较困难,所以关闭低温散热器的冷却回路。开启制冷系统,此时电池冷却器可以看作蒸发器,吸收冷却液(乙二醇水溶液)热量,冷却液降温后进入冷板对电池包进行冷却。
加热工况:当外界环境温度低于0℃时,需要开启加热装置,循环水泵,关闭低温散热回路和制冷系统,通过加热装置加热乙二醇水溶液,输送到冷板对电池包进行加热。
根据上述产热模型计算出电池的发热功率,并结合系统组成和工作原理得到所需换热面积和冷却液流量,然后进行液体热管理冷板和管路设计。具体设计结果如图2所示。
图2 液体热管理系统图

3 基于液体热管理系统仿真分析

3.1 液体热管理系统流场仿真分析

使用CFD软件对液体热管理系统流场进行仿真分析,当冷却液流量为12 L/min时,系统冷板及管路的仿真压力云图和速度云图如图3和图4所示。分析结果表明,冷却液进出口压差为51 kPa较为合理,整个流场流速分布均匀,符合设计要求。
图3 系统压力云图
图4 系统速度云图

3.2 快充冷却性能仿真

设定快充冷却过程仿真分析边界条件及初始条件:环境温度40℃,冷却液流量12 L/min,进水温度15℃,快充倍率1.5C,发热功率1 978 W,快充30 min后充电倍率跳转至0.3 C,发热功率为828 W。仿真结果如图5所示。整个充电过程最高温度44.5℃,充电结束时,上极柱最高温度为31℃,下极柱最低温度为23℃,温差8℃。
图5 快充冷却电池温度情况

3.3 放电冷却性能仿真

设定放电冷却过程仿真分析边界和初始条件:环境温度40℃,冷却液流量12 L/min,进水温度15℃,放电倍率1C,发热功率1 407 W。仿真结果如图6所示。整个放电过程电池最高温度42℃,放电结束时,上极柱最高温度为34℃,下极柱最低温度为25℃,温差9℃。
图6 放电冷却电池温度情况

3.4 加热性能仿真

设定低温加热过程仿真分析边界条件:环境温度-20℃,冷却液流量12 L/min,进水温度35℃,当最低温度达到15℃后停止加热。仿真结果如图7所示。整个过程电池最高温度30℃,充电结束时,上极柱最高温度为23.5℃,下极柱最低温度为15℃,温差8.5℃。
图7 加热过程电池温度情况

4 实验验证

4.1 实验条件和实验设备

(1)实验条件(环境温度、湿度、压强等)
实验过程环境温度-30~40℃,湿度30%~50%,压强101.325 kPa。
(2)实验设备(实验用的测试设备、计量器具等)
实验过程所需设备具体情况如表1所示。

4.2 实验方法

本次实验在天津中国汽车技术研究中心进行,主要是对所研发的基于液体的电动汽车动力电池热管理系统冷却和加热性能进行测试,为系统优化和验证模拟精度奠定基础。
系统流阻测试通过检测系统进出水口压力获得,冷板表面温度通过在冷板表面粘贴热电偶得到;在系统冷却性能测试中电池温度通过集成在电源系统内的温度采集点上传至BMS获得。具体实验方法见表2。

4.3 实验设备及测点布置

为了解系统性能,便于对系统进行更好匹配和优化,需要对系统不同部位的温度检测。具体的测点布置情况如图8所示,实验设备如图9所示。
图8 温度点布置
图9 实验设备

4.4 实验结果及分析

通过对系统实验数据处理,分析电池包温度特性,从而评价系统性能。
4.4.1 基于液体热管理系统流阻实验验证
通过实验测得系统流阻为48 kPa,相比模拟的51 kPa,误差在6%,在允许范围内。模拟精度可以满足设计。
4.4.2 快充冷却性能实验验证
将含有液体热管理的电源系统置于步入式高低温箱进行实验,调节高低温箱温度为40℃,相对湿度50%。当电池温度达到35℃后,通过充放电设备对电源系统以1.5C进行充电,同时开启液体热管理系统,对电池进行冷却,当SOC达到80%以后,充电倍率跳转至0.3C至电池充满。实验结果如图10所示。随着充电进行,电池温度先升高后降低,最高温度为42℃,充电结束电池最高温度为36℃,最低温度为29℃,温差7℃。相比模拟结果,最高温度模拟精度为5.6%,充电结束温度模拟精度为14%,温差精度在12.5%,基本可以指导热管理设计。
图10 快充冷却实验电池温度情况
4.4.3 放电冷却性能实验验证
将含有液体热管理的电源系统置于步入式高低温箱进行实验,调节高低温箱温度为40℃,相对湿度50%,当电池温度达到40℃后,通过充放电设备对电源系统以1C进行放电,同时开启液体热管理系统,对电池进行冷却。实验结果如图11所示。随着放电进行,电池温度先升高后降低再升高,整体趋势较平稳,最高温度为40.7℃,充电结束电池最高温度为40℃,最低温度为32℃,温差8℃。相比模拟结果,最高温度模拟精度为3.1%,充电结束温度模拟精度为15%,温差精度在12.5%,基本可以指导热管理设计。
图11 放电冷却实验电池温度情况
4.4.4 加热性能实验验证
将含有液体热管理的电源系统置于步入式高低温箱进行实验。调节高低温箱温度为-20℃,相对湿度50%。当电池温度达到-20℃后,同时开启液体热管理系统,对电池进行加热,进水温度35℃;当电池最低温度达到-5℃时,通过充放电设备对电源系统进行充电,当电池温度达到15℃后加热停止,继续充电至充满。实验结果如图12所示。随着加热进行,电池温度先升高后降低,充电结束电池最高温度为24℃,最低温度为16℃,温差8℃。相比模拟结果,最高温度模拟精度为2.1%,充电结束温度模拟精度为6.25%,温差精度在6.25%,模拟精度可以满足热管理设计。
图12 加热过程实验电池温度情况

5 结论

(1)通过建立锂离子电池热模型,设计基于液体的电动汽车动力电池热管理系统。
(2)通过对所设计的液体热管理系统流场、不同充放电倍率下电池温度和加热工况下电池温度场进行仿真分析,验证了所设计液体热管理系统的合理性,可将电池温度控制在45℃以内,满足电池工作范围需求。
(3)通过实验验证了基于液体的电动汽车动力电池热管理系统设计的有效性,同时也验证了仿真精度,特别是对产热模型的修正,也需要通过实验测量进行验证。
(4)所设计的基于液体的电动汽车动力电池热管理系统在40℃高温1.5C充电工况下,可控制电池温度45℃以内,充电结束电池最高温度在29~36℃;40℃高温1C放电工况下,可控制电池温度40℃以内,充电结束电池最高温度在32~40℃;加热过程,电池温度先升高后降低,充电结束电池最高温度为24℃,最低温度为16℃,温差8℃。

作者:陈 通,孙国华,王明强,曹 勇,王帅锋

中航锂电(洛阳)有限公司

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