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液冷動(dòng)力電池低溫加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
2020-03-09 23:59:18· 來源：《液冷動(dòng)力電池低溫加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究》
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車重要的能量存儲(chǔ)裝置和動(dòng)力來源，直接影響到整車的安全性使用性能。目前由于動(dòng)力電池材料所限，動(dòng)力電池的性能還無法滿足低溫和高溫環(huán)境下的使
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車重要的能量存儲(chǔ)裝置和動(dòng)力來源，直接影響到整車的安全性使用性能。目前由于動(dòng)力電池材料所限，動(dòng)力電池的性能還無法滿足低溫和高溫環(huán)境下的使用要求，因此需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的動(dòng)力電池系統(tǒng)的溫度管理系統(tǒng)(Battery ThermalManagement，BTM)來對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行安全監(jiān)控和有效管理，使得動(dòng)力電池始終工作在合適的溫度范圍內(nèi)，避免影響車輛的使用甚至引起安全事故，同時(shí)避免動(dòng)力電池單體長時(shí)間存在較大的溫差造成電池一致性的惡化，從而降低動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能，縮短電池的使用壽命。
相比風(fēng)冷和自然冷卻結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池包，液冷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力電池包具有更好的溫度均勻性?更高的冷卻效率和良好的NVH性能，特別是解決了風(fēng)冷結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池包箱體無法密封防水的問題，成為目前研究最熱門的動(dòng)力電池包冷卻結(jié)構(gòu)。本文以一款液冷結(jié)構(gòu)的鋰離子動(dòng)力電池包為研究對(duì)象，研究低溫情況下的動(dòng)力電池加熱和保溫方法。
1 動(dòng)力電池的低溫特性
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，動(dòng)力電池的性能受溫度的影響非常明顯。以一款液冷電池包選用的三元功率能量兼顧型鋰離子動(dòng)力電池為例，以SOC=50%為基準(zhǔn)，測試動(dòng)力電池在不同環(huán)境溫度下，靜置20h，以1C的倍率進(jìn)行充放電試驗(yàn)，測試動(dòng)力電池的充放電容量和持續(xù)10s的充放電功率，得到如圖1所示的試驗(yàn)結(jié)果。表1為動(dòng)力電池低溫環(huán)境下容量和功率測試結(jié)果。
由圖1和表1可知，在≤-30℃環(huán)境下，動(dòng)力電池的容量和功率急劇降低，特別是充電容量和充電功率下降更加明顯。由-30℃的動(dòng)力電池測試數(shù)據(jù)可知，雖然動(dòng)力電池還有接近30%的可用放電容量和放電功率，但是可用的1C充電容量和充電功率降為常溫的10%左右。低溫情況下，動(dòng)力電池的充電能力下降尤其明顯。
動(dòng)力電池理想的工作溫度范圍為10~35℃，在高溫環(huán)境下(≥45℃)，1C充放電容量基本上可以和常溫保持一致，但是充放電功率明顯下降，說明在高溫環(huán)境下，動(dòng)力電池內(nèi)部活性物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)速度加快，爆炸和起火的風(fēng)險(xiǎn)增高，為保障動(dòng)力電池的使用安全性和延長循環(huán)壽命，動(dòng)力電池可用的充放電功率明顯降低。由此可知，設(shè)計(jì)動(dòng)力電池包低溫加熱系統(tǒng)對(duì)于動(dòng)力電池包在低溫環(huán)境下的使用性能有著極其重要的意義。
2 動(dòng)力電池低溫加熱?保溫要求和熱管理設(shè)計(jì)方案
為了滿足動(dòng)力電池包的熱管理目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)，該款液冷動(dòng)力電池包包括兩套冷卻回路。默認(rèn)的冷卻模式為慢冷模式，慢冷模式即電動(dòng)水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液流經(jīng)電池表面進(jìn)行熱循環(huán)的冷卻方式，消耗的散熱功率較小。只有在電池溫度T>40℃的情況下，才會(huì)啟動(dòng)快冷模式，快冷模式是利用空調(diào)的冷媒流經(jīng)液液交換器的方式快速冷卻電池冷卻液，從而達(dá)到在很短的時(shí)間內(nèi)冷卻電池的目的。當(dāng)電池溫度T<30℃且環(huán)境溫度Ts<20℃時(shí)，退出快冷模式。
圖3為動(dòng)力電池系統(tǒng)充電和加熱流程。當(dāng)充電槍插上并喚醒充電機(jī)時(shí)，如果電池系統(tǒng)和充電機(jī)自檢正常且沒有系統(tǒng)錯(cuò)誤，則閉合充電回路繼電器，并判斷電池溫度。如果電池溫度T<-10℃，則先行啟動(dòng)加熱回路，利用充電機(jī)提供的充電能源對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱。在電池溫度升高到T>10℃時(shí)，退出加熱流程，電池系統(tǒng)進(jìn)入充電模式，進(jìn)行充電。電池低溫情況下充電的原則是先加熱，后充電。在連接充電槍的情況下，當(dāng)電池處于滿電狀態(tài)，電池溫度T<5℃且環(huán)境溫度Ts<-10℃時(shí)，動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)入保溫模式。
為了滿足插電式混合動(dòng)力汽車(Plug in HybridElectric Vehicle，PHEV)低溫環(huán)境下的使用要求，整理提出液冷動(dòng)力電池包的低溫加熱和保溫要求如下:
1)-30℃環(huán)境溫度下將動(dòng)力電池冷卻液溫度升高到40℃的時(shí)間t<10min;
2)動(dòng)力電池包安裝在整車上，初始溫度為25℃，-20℃環(huán)境溫度下，8h內(nèi)電池溫度的降幅Δt<10℃。
3 動(dòng)力電池低溫加熱?保溫要求和熱管理設(shè)計(jì)仿真
為了能夠計(jì)算動(dòng)力電池加熱效果和加熱能耗，選用瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程對(duì)動(dòng)力電池的加熱系統(tǒng)進(jìn)行建模，利用有限元法對(duì)電池不放電情況下的加熱進(jìn)行仿真計(jì)算。
3.1 建立動(dòng)力電池?zé)崞胶夥匠?/strong>
動(dòng)力電池的生熱行為分析可以選用下面的熱平衡方程計(jì)算:
式中:q為電池的生熱速率;ρ為材料密度;cp為質(zhì)量定壓熱容;λ為熱導(dǎo)率;T為電池溫度;Ta為空氣溫度;qc為電池通過表面向外的熱量耗散率;q(t)為電池加熱時(shí)的熱流密度;ΔT為電池表面溫度和環(huán)境溫度的差值;h為電池表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù);q為單位體積生熱率;a為參與計(jì)算電池發(fā)熱率的截面積;Eo為電池開路電壓;E為電池電壓;ap和an分別為參與計(jì)算電池發(fā)熱率的正極和負(fù)極截面積;λ為電池不同方向的輻射影響參數(shù);ip和in分別為電池正極和負(fù)極的內(nèi)阻;Vp和Vn分別為電池正負(fù)極的潛在性電壓;rp和rn分別為電池正負(fù)極的內(nèi)阻計(jì)算值。電池的生熱包括化學(xué)反應(yīng)熱和焦耳熱?；瘜W(xué)反應(yīng)熱qc和焦耳熱qJ的計(jì)算公式分別為:
式中:G為吉布斯自由能;H為焓;ΔS為電池內(nèi)部的熵變化;F=96 484。5C/moL為法拉第常數(shù);We為外界對(duì)于電池所做的功;n為參與化學(xué)反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移個(gè)數(shù);i為電池的通過電流。
式中:β為固液相變液體部分所占的體積分?jǐn)?shù);γ=195kJ/kg為電池相變潛熱;Tm為電池材料的熔點(diǎn)。
3.2 動(dòng)力電池的熱管理仿真分析模型
以上面的電池生熱模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建動(dòng)力電池包的冷卻系統(tǒng)仿真分析模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行建模分析。該款PHEV動(dòng)力電池包的液冷結(jié)構(gòu)如圖4所示。電池包液冷系統(tǒng)主要包含液冷板?管道?卡箍?集流板等部件，液冷板之間為串聯(lián)模式，液冷板內(nèi)部增加擾流小凸包擴(kuò)大導(dǎo)熱面積，提高熱導(dǎo)率。冷卻接口管徑規(guī)格:外徑20mm，內(nèi)徑17mm。冷卻接口要求:鐓頭設(shè)計(jì)，鋁制?表面光潔?防銹蝕處理?具有防錯(cuò)標(biāo)識(shí)，電池箱體內(nèi)部安裝有保溫棉。電池冷卻液為50%的乙二醇溶液。
圖5為液冷板仿真的流速云圖。由圖5可知，液冷板上的冷卻管道設(shè)計(jì)為“S”型流動(dòng)方式，且左右4塊液冷管道均為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，“S”型的設(shè)計(jì)保證了電池冷卻液和電池單體的表面進(jìn)行充分的熱量交換，并聯(lián)結(jié)構(gòu)保證了每個(gè)不同部分的液冷板冷卻液溫度盡可能一致。仿真計(jì)算得到的流量最大差值為0.003 4，板間溫度差異性不大。
圖6為仿真計(jì)算得到的溫度場仿真結(jié)果。在35℃的環(huán)境溫度下，設(shè)定進(jìn)水溫度298.5K，進(jìn)水流量值為0.166 8kg/s，按照NEDC工況進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算得到的電池溫升為2℃，單體最大溫差為1.6℃，滿足溫差設(shè)計(jì)要求，說明設(shè)計(jì)的液冷動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)具有良好的溫度一致性。
動(dòng)力電池包的熱仿真模擬工況選用NEDC循環(huán)工況，如圖7所示。
將50個(gè)連續(xù)NEDC模擬循環(huán)工況下的動(dòng)力電池仿真數(shù)據(jù)作為電池生熱模型的設(shè)計(jì)輸入，仿真計(jì)算動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)的冷卻效果。設(shè)定電池初始溫度為25℃，電池冷卻液流速為10L/min，進(jìn)水溫度為20℃，系統(tǒng)壓力為0.04MPa，經(jīng)30個(gè)連續(xù)循環(huán)工況后，電池溫度達(dá)到平衡，最高溫度為37℃，溫差為3℃。
圖8為不同冷卻參數(shù)下熱仿真分析得到的電池溫升情況。由圖6可知，在不同的進(jìn)水溫度和電池初始溫度下，啟動(dòng)電池液冷系統(tǒng)，均可以將動(dòng)力電池的工作溫度控制在較為理想的溫度范圍內(nèi)。如果沒有電池液冷系統(tǒng)，動(dòng)力電池的工作溫度將隨著循環(huán)工況的重復(fù)進(jìn)行而不斷升高，最終升高到較為危險(xiǎn)的溫度(>60℃)，由此可見，液冷電池系統(tǒng)對(duì)于維持動(dòng)力電池始終工作在理想的工作溫度范圍內(nèi)是非常重要的。具體測試數(shù)據(jù)如表2所示。
表2為不同冷卻參數(shù)下動(dòng)力電池溫升仿真計(jì)算情況。由表2可知，無冷卻的情況下，動(dòng)力電池溫度逐漸上升，最高溫度超過了動(dòng)力電池的安全使用范圍;在有液冷情況下，電池最高溫度得到了有效的控制，進(jìn)水溫度25℃情況下，電池最高溫升基本上在動(dòng)力電池的理想工作溫度下，在進(jìn)水溫度達(dá)到30℃時(shí)，無論電池初始溫度如何，液冷情況下電池最高溫度超過了動(dòng)力電池的理想工作溫度，由仿真分析的結(jié)果可知，應(yīng)該盡量將電池冷卻液進(jìn)水溫度控制在25℃以下。
圖9為熱仿真分析得到的電池液冷板溫度分布情況，其中冷卻液進(jìn)口溫度為20℃，出口溫度23℃，最大溫差接近6℃。仿真分析的結(jié)果證明電池液冷系統(tǒng)滿足電池的冷卻要求。
3.3 動(dòng)力電池低溫加熱和保溫仿真模型
圖10為低溫情況下動(dòng)力電池?zé)岱抡嬗?jì)算結(jié)果。將動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)問題假設(shè)為穩(wěn)態(tài)問題，采用分離式算法計(jì)算，分析模型設(shè)定為不可壓的常密度模型。電池初始溫度為-30℃，電池冷卻液入口溫度為10℃情況下，啟動(dòng)電池低溫加熱系統(tǒng)，經(jīng)過約1h的持續(xù)加熱，電池最高溫度達(dá)到10℃，電池最大溫差為1℃，滿足低溫加熱要求。
圖11為低溫加熱仿真結(jié)果。由圖11可知，整個(gè)低溫加熱過程中，電池的溫度剛開始呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的狀態(tài)，在接近10℃的附近，溫度上升速度放緩，逐漸達(dá)到10℃，加熱終止，進(jìn)入保溫模式。圖8的仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。
4 動(dòng)力電池系統(tǒng)低溫加熱和保溫試驗(yàn)
將液冷動(dòng)力電池系統(tǒng)安裝在整車上，正確連接并高壓上電后，將車輛駛?cè)霗z測中心的步入式環(huán)境室進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。低溫加熱試驗(yàn)分別在環(huán)境溫度為-30，-20，-10和0℃下進(jìn)行充電加熱試驗(yàn)和車輛怠速加熱試驗(yàn)。-30℃低溫加熱試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。
由圖12可知，在低溫-30℃環(huán)境下，將車輛靜置24h，以設(shè)定被加熱的電池最低溫度10℃為截止加熱條件，電池加熱器最大加熱功率設(shè)定為1.5kW，給試驗(yàn)車輛插上充電槍，啟動(dòng)充電機(jī)，進(jìn)行低溫充電和保溫試驗(yàn)。電池加熱器啟動(dòng)后，加熱器的功率穩(wěn)定在1.5kW，加熱控制器獲得溫度傳感器的準(zhǔn)確溫度值需要一定的時(shí)間，因此在電池加熱器開始啟動(dòng)時(shí)，測量得到的溫度值有一段時(shí)間的波動(dòng)，在較短的時(shí)間內(nèi)得到加熱器出水口準(zhǔn)確溫度值后，隨著加熱時(shí)間的延長，加熱器出水口溫度持續(xù)上升，電池單體最低溫度由-30℃持續(xù)上升。當(dāng)電池單體達(dá)到10℃時(shí)，加熱過程結(jié)束，電池加熱器功率降為0，此時(shí)加熱器出水口溫度約為37℃，整個(gè)加熱過程持續(xù)約70min。其他環(huán)境溫度下的加熱測試結(jié)果如表3所示。
由表3可知，在不同環(huán)境溫度下，電池的加熱時(shí)間和環(huán)境溫度呈現(xiàn)接近于線性關(guān)系，在加熱器功率恒定的情況下，充電加熱和怠速加熱效率差不多;加熱器設(shè)定溫度越高，加熱時(shí)間越短。因此綜合多種試驗(yàn)結(jié)果，并考慮電池加熱時(shí)的效率，最終設(shè)定的電池加熱器的溫度為60℃。
圖13為-20℃環(huán)境溫度下，不插充電槍時(shí)，具有保溫材料的動(dòng)力電池包在8h內(nèi)溫度從25℃下降的試驗(yàn)。由圖中可知，電池溫度下降過程基本呈線性下降趨勢(shì)，8h后，電池溫度降為約18.4℃，滿足溫度下降Δt<10℃的設(shè)計(jì)要求。-20℃環(huán)境溫度下，滿電的動(dòng)力電池靜置24h(電池溫度-20℃)，插上充電槍后，動(dòng)力電池開始低溫加熱，電池溫度呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)，加熱將近1.5h后，電池溫度升高到10℃，低溫加熱過程結(jié)束，動(dòng)力電池進(jìn)入充電保溫模式，電池溫度基本維持在5℃左右波動(dòng)，試驗(yàn)過程和仿真分析結(jié)果類似，試驗(yàn)測得的低溫加熱時(shí)間比仿真分析結(jié)果要長，分析原因是動(dòng)力電池包在整車上的試驗(yàn)環(huán)境較為復(fù)雜，影響了測試的準(zhǔn)確性。雖然存在一定的試驗(yàn)誤差，但是整個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果還是相對(duì)準(zhǔn)確的，基本上反映了仿真計(jì)算的趨勢(shì)和結(jié)果。這個(gè)結(jié)果也從側(cè)面說明了電池溫度的累積增加是一個(gè)漸變的過程。
綜上所述，所有的試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目證明，設(shè)計(jì)的PHEV用動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)基本上可以滿足電池的散熱要求，設(shè)計(jì)的電池低溫加熱和保溫模式滿足設(shè)計(jì)要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
5 結(jié) 論
本文針對(duì)應(yīng)用在PHEV上的動(dòng)力電池包，根據(jù)動(dòng)力電池的散熱要求?低溫加熱和保溫要求，設(shè)計(jì)了電池液冷系統(tǒng)，并對(duì)此進(jìn)行了分析研究。
1)根據(jù)動(dòng)力電池的低溫測試數(shù)據(jù)，結(jié)合電池的生熱計(jì)算模型，建立了動(dòng)力電池的熱仿真計(jì)算模型;
2)利用有限元分析軟件，建模分析了液冷動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱管理能力?低溫加熱和保溫效果;
3)通過液冷電池包的實(shí)車驗(yàn)證，證明了本文設(shè)計(jì)的液冷動(dòng)力電池系統(tǒng)基本滿足設(shè)計(jì)要求，具有良好的熱管理性能。本文的研究結(jié)果表明，液冷動(dòng)力電池系統(tǒng)具有更好的熱管理平衡性，電池的溫度一致性好，低溫加熱性能和保溫性能佳，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。本文的研究結(jié)果對(duì)于推動(dòng)液冷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用具有一定的參考意義。
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