关于电池热管理风冷与液冷的分析

锂离子电池包热管理的要求是根据锂离子电池发热机理,合理设计电池包结构,选择合适的热管理方式,合理设计热管理策略,保证电池包内各个单体电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性。

电动汽车电池热管理风冷与液冷

动力蓄电池热管理系统(BTMS,BatteryThermalManagementSystem)对纯电动汽车在各种环境下的动力性有至关重要的影响。通过研究分析锂离子电池产热原理,BTMS传热冷却方式,及风冷散热和液冷散热方案的比较,说明液冷散热效果好于风冷,液冷散热将是未来适合复杂工况的大功率锂离子动力电池热管理的重要研究方向。

动力蓄电池作为纯电动汽车的动力来源,是提高整车性能和降低成本的关键一环,其温度特性直接影响电动车的性能、寿命和耐久性。锂离子电池因比能大、循环寿命长、自放电率低、允许工作温度范围宽、低温效应好等优点是电动车目前首选的动力电池。锂离子电池包热管理的要求是根据锂离子电池发热机理,合理设计电池包结构,选择合适的热管理方式,合理设计热管理策略,保证电池包内各个单体电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性。由于电池组中单体电池是互相串联的,任何一只电池性能下降都会影响电池组的整体表现。温差为5℃、10℃、15℃时,相同充电条件下电池组的荷电态分别下降10%、15%、20%。

锂离子电池热特性

电池在充放电过程中都会发生一系列化学反应,从而产生热反应。锂离子动力电池的主要产热反应包括:电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应、负极与粘合剂的反应和固体电解质界面膜的分解。此外,由于电池内阻的存在,电流通过时,会产生部分热量。低温时锂离子电池主要以电阻产生的焦耳热为主,这些放热反应是导致电池不安全的因素。电解液的热安全性也直接影响着整个锂电池的电池动力体系的安全性能。

实际运行环境中,动力系统需要锂离子电池具备大容量与大倍率放电等特点,但同时产生的高温增加了运行危险。所以,降低锂离子电池工作温度,提升电池性能至关重要。

BTMS传热冷却方式

BTMS中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,组装在系统内部的、能够在低温情况下提供热源或者在高温条件下提供冷源,主动元件包括蒸发器、加热芯、电加热器或燃料加热器等的方式为主动式冷却。按照传质的不同可以分为空气强制对流、液体冷却、相变材料(PCM,PhaseChangeMaterial)、空调制冷、热管冷却、热电制冷和冷板冷却等。根据不同的放电电流倍率、周围温度等应用要求选择不同的冷却方式。

空气强制对流

空气作为传热介质就是直接让空气穿过模块以达到冷却、加热的目的。很明显空气自然冷却电池是无效的,强制空气冷却是通过运动产生的风将电池的热量经过排风风扇带走,需尽可能增加电池间的散热片、散热槽及距离,成本低,但电池的封装、安装位置及散热面积需要重点设计。可以采用串联式和并联式通道(如图1所示)。

仿真结果研究得出了电池的散热特性:在自然冷却下热辐射占整个散热的43%~63%强化传热是降低最高温度的有效措施,但扩大强化传热的范围并不会无限地提高温度一致性。

风冷方式的主要优点有:结构简单,重量相对较小没有发生漏液的可能有害气体产生时能有效通风成本较低。缺点在于其与电池壁面之间换热系数低,冷却、加热速度慢。

在串并联风道中,放置6块发热电池,假设电池密度均匀(2700kg/m3),热生成率相同(50000w/m3)。空气以5m/s的速度流入,进口温度为25℃(298K),出口自由敞开,电池模型使用结构体网格,数量为25万个。

通过仿真分析得到电池温度表格如表1所示。串联式流道整体温差为5.6℃,并联式流道整体温差为3.0℃;串联流道中间电池热累计较多,整体温度较高,一致性较差;并联流道整体温度较低,一致性较好;但因本例入口风道为水平直角,故靠近入口电池温度较高。若将风口向上倾斜一定的角度,散热效果会更好。因此,改变风道设计,对电池散热影响较大。

液体冷却

在一般工况下,采用空气介质冷却即可满足要求,但在复杂工况下,液体冷却才可达到动力蓄电池的散热要求。采用液体与外界空气进行热交换把电池组产生的热量送出,在模块间布置管线或围绕模块布置夹套,或者把模块沉浸在电介质的液体中。若液体与模块间采用传热管、夹套等,传热介质可以采用水、乙二醇、油甚至制冷剂等。若电池模块沉浸在电介质传热液体中,必须采用绝缘措施防止短路。传热介质和电池模块壁之间进行传热的速率主要取决于液体的热导率、粘度、密度和流动速率。在相同的流速下,空气的传热速率远低于直接接触式流体,这是因为液体边界层薄,导热率高。

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;体积较小。主要缺点有:存在漏液的可能;重量相对较大;维修和保养复杂;需要水套、换热器等部件,结构相对复杂。

实验结果表明相对于液体冷却/加热,空气介质传热效果不是很明显,但是系统不太复杂。对于并联型混合动力车,空气冷却是满足要求的,而纯电动汽车和串联式混合动力车,液体冷却效果更好(见图2)。

通过仿真分析得到电池温度表格(如表1所示),在不同流道设计的情况下,液体冷却温度一致性较好。虽然并联流道整体温度低于串联流道,温度仅相差0.4℃。但从实际与设计角度考虑,串联流道结构规整简单更适合产品设计。

电动汽车电池热管理风冷与液冷

目前制造商不愿意选择液体冷却是因为密封不好会导致液体泄漏,所以密封设计是极其重要的。

结论

本文基于有限元仿真软件,在风冷与液冷两种不同模式不同的流道下,对电池温度冷却效果进行比较。通过对上述内容研究表明:

(1)风冷在不同的流道下,对电池的温度一致性影响较大,但并联流道散热效果好于串联流道;

(2)液冷无论在串、并流道下,对电池温度的一致性影响较小,并且整体散热效果要远好于风冷方式。随着电池模块容量的增大,恶劣环境下运行对电池性能的要求越来越苛刻,高效的电池热管理系统及其重要。空气强制冷却由于冷却能力不强只能在小型功率且良好工况下使用;而液冷整体冷却效果更适用于大型功率或者复杂工况下使用。因此液冷是未来电池热管理的重要研究发展方向。