基于相變材料的純電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硌芯?/h1>

2022-08-04 20:26:04·  來源：易貿(mào)AUTO行家  

　

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為了改善純電動(dòng)汽車電池的放電溫度，有效維持電池的穩(wěn)定狀態(tài)和降低電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能耗，研究 了一種基于相變材料的純電動(dòng)汽車 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，在相變材料中嵌入

為了改善純電動(dòng)汽車電池的放電溫度，有效維持電池的穩(wěn)定狀態(tài)和降低電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能耗，研究 了一種基于相變材料的純電動(dòng)汽車 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，在相變材料中嵌入冷卻管道，利用冷卻液的流動(dòng)在電池與相變材料中實(shí)現(xiàn)熱量交換，并對(duì)其進(jìn)行仿真與分析，結(jié)果顯示：常溫下可有效抑制電池溫升速度，溫度最大可降低７降低冷卻風(fēng)扇工作概率；低溫下電池加熱更快，最終溫度至少可提高１１．３ 最大可減少 ２９．１６％的 正溫度 系數(shù)熱敏電阻（ＰＴＣ）開啟時(shí)間，節(jié)約能源，提高了純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程；高溫下散熱效果明顯，溫度趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：相變材料；純 電動(dòng)汽車；電 池?zé)峁芾?；?jié)約 能源

作者：朱 波，杜如海，姚明堯，趙媛媛，張憶

合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究 院，安徽 合肥

目前純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池以鋰電池為主，而鋰離子電池的性能受溫度影響，Ｓｕｎ等研究得出鋰離子電池的最佳工作溫度為２０~４５°Ｃ[1]溫度過低時(shí)，將引起鋰離子電池的電解液電導(dǎo)率變小，陽極上鋰離子擴(kuò)散性減弱，導(dǎo)致電極表面及電解液界面上的電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，最終使電池性能下降［２］；針對(duì)低溫環(huán)境，加熱方式可以分為常規(guī)空氣加熱方式、相變材料加熱方式、電加熱方式、帕爾貼效應(yīng)加熱方式和其它加熱方式［３］。而溫度過高時(shí)，將嚴(yán)重影響電池的性能，溫度越高，電池的老化速度越快，甚至有可能發(fā)生熱失控的狀況［4］,目前的電動(dòng)汽車電池冷卻方式主要有空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻三種方式［５］。

空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但冷卻效率低，不能滿足一般大容量電池的散熱要求；液體擁有較高的熱導(dǎo)率和熱容，因此液體冷卻被認(rèn)為是一種較好的熱管理解決方案［6］，但單純的液冷電能消耗嚴(yán)重，特別是在低溫環(huán)境下。相變冷卻利用相變材料相變過程吸收或釋放熱量，且不需要消耗額外能量的方式冷卻，具有良好的應(yīng)用前景[7]，但單一的相變冷卻不能適應(yīng)電池極端放電工況，相變材料一且融化后，系統(tǒng)溫度將失控[8]。且不易于維持電池溫度均一性[9]因此單一的相變冷卻難以適用于各類環(huán)境。針對(duì)這種情況，本文采用了一種相變材料冷卻與液冷相結(jié)合且可同時(shí)針對(duì)常溫、低溫和高溫環(huán)境的熱管理方案，并對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行仿真計(jì)算，以分析驗(yàn)證該方案對(duì)各類環(huán)境下的控溫效果。

01結(jié)合相變材料的純電動(dòng)汽車電池熱管理系統(tǒng)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合相變材料的純電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示，電池模組均置于電池水冷板上，與水冷板緊密接觸且導(dǎo)熱性能良好，水泵泵動(dòng)冷卻液流經(jīng)電池水冷板、控制閥、相變材料［正溫度系數(shù)熱敏電阻（ＰＴＣ）或散熱器］，實(shí)現(xiàn)電池與外界部件的熱量交換。與將相變材料澆筑成型包裹電池的形式不同，本文提出的是將相變材料制成儲(chǔ)能容器的形式，在相變材料中直接嵌入２根多Ｕ型冷卻管道，冷卻液由外部冷卻系統(tǒng)進(jìn)入管道與相變材料中實(shí)現(xiàn)熱量交換，如圖２所示。

在低溫環(huán)境下，閥ＲＶ３打開，ＰＴＣ通電工作，冷卻液流經(jīng)ＰＴＣ，如果相變材料模塊高于電池溫度，閥ＲＶ１也打開，冷卻液流經(jīng)相變材料模塊；在常溫環(huán)境下，若相變材料未融化，閥ＲＶ１打開，冷卻液流經(jīng)相變材料模塊；在高溫環(huán)境下或相變材料融化時(shí)，閥ＲＶ２打開，冷卻液流經(jīng)散熱器。

結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)理論分析

電池生熱機(jī)理

以某款純 電動(dòng)汽車 電池包為例，主要參數(shù)如表１所示。

鋰離子電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)熱、歐姆熱、極化熱和副反應(yīng)熱［10］。Ｂｅｒｎａｒｄi等通過研究將電池生熱速率計(jì)算等效于式（１）所示模型：

式中I為電流，選取電池放電時(shí)電流方向?yàn)檎?；Ｖ為電池體積；EOC為電池的開路電壓；E為電池工作電壓；T為電池的初始溫度；ｄＥOC/dT為常數(shù)。

電池傳熱分析

電池?zé)崃康膫鬟f主要包括三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱福射。電池的熱傳導(dǎo)指電池內(nèi)部的熱量向電池外表面擴(kuò)散的過程，通常采用傅里葉定律來表達(dá)：

式中qn為產(chǎn)熱過程中的熱流密度;k為電池的導(dǎo)熱系數(shù);Tn為電極等溫面法線方向的溫度梯度。

因?yàn)樵撾姵匕糜谄嚨撞壳遗c外界空氣無直接熱對(duì)流,電池底部利用水冷板與外部(相變材料、PTC和散熱器)進(jìn)行熱交換，因此電池與水冷板的熱對(duì)流可表示為:

式中：qcon為熱流量；h為對(duì)流換熱系數(shù)；ａ為接觸面積；Tｍ為壁溫溫度；Tf為流體溫度。

輻射主要通過電 磁波來傳遞能量，通 ?？?表示 為：

式中qrad為輻射熱量；σ為斯蒂藩－玻爾茲曼常數(shù)；ε為熱輻射率；Ｓ為表面積；T為電池溫度；Tｓ為環(huán)境溫度。

相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)需求在實(shí)驗(yàn)室可制取相變溫度為２５°C的復(fù)合相變材料，物理性能如表２所示。

相變材料吸收或釋放熱量計(jì)算公式可表示為：

式中：Ｑｐcm為相變材料吸收或釋放的熱量；Mpcm為相變材料質(zhì)量；Ｃｐ為相變材料比熱容；Tｍ為相變溫度；Ti為初始溫度 或最終溫度；H為相變材料的相變潛熱。

其系統(tǒng)熱量傳遞可由式（ ６）~（ ８）表示。

相變材料吸收熱量時(shí)，有：

相變材料釋放熱量時(shí)，有：

式中：Qgen為電池總產(chǎn)熱量；Qstor為用于電池本體溫升的熱量；Qpcm為相變材料吸收的熱量；Qrad為電池?zé)彷椛涞臒崃?；Qptc為ＰＴＣ產(chǎn)生的熱量；Cb為電池比熱容；Mb叫為電池質(zhì)量；T為電池溫差。

由于純電動(dòng)汽車在極限工況行駛時(shí)電池發(fā)熱量較大，主要由散熱器進(jìn)行溫度控制，因此在設(shè)計(jì)相變材料質(zhì)量時(shí)，為突出相變材料對(duì)熱管理系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)取在常規(guī)工況行駛下所能吸收最大熱量值時(shí)的質(zhì)量。

02電池?zé)峁芾?系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

利用ＡＭＥＳｉｍ搭建的結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾砟Ｐ腿鐖D３所示，主要由電池部分、參數(shù)設(shè)置、ＰＴＣ部分和散熱器部分構(gòu)成。在電池部分中，動(dòng)力電池在放電過程中會(huì)生熱，產(chǎn)熱功率依據(jù)Ｂｅｍａｄｉ模型來計(jì)算，電池的電壓、內(nèi)阻等參數(shù)直接輸人相關(guān)“Ｄａｔａ”；在電池部分中搭建有熱輻射模塊，依據(jù)輻射散熱公式計(jì)算，電池除底部外其他五個(gè)面均會(huì)產(chǎn)生輻射散熱。電池部分中水冷板與冷卻液的熱交換、ＰＴＣ部分與冷卻液的熱交換、相變材料部分與冷卻液的熱交換以及散熱器部分與冷卻液的熱交換依據(jù)熱對(duì)流公式來計(jì)算，其中面積為冷卻板或冷卻管道與冷卻液的接觸面積。參數(shù)設(shè)置主要包括環(huán)境溫度、冷卻劑參數(shù)、不同熱容模塊的參數(shù)（質(zhì)量、密度、比熱容、熱導(dǎo)率、相變溫度等）設(shè)定。為能夠全面反應(yīng)該結(jié)構(gòu)的環(huán)境和工況適應(yīng)性，在常溫、低溫和高溫環(huán)境中選取等速（３０、６０、１００ｋｍ／ｈ）、中國(guó)輕型車行駛工況（ＣＬＴＣ）、新歐洲行駛工況（ＮＥＤＣ）等工況仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

結(jié)合相 變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的相變散熱效果

在環(huán)境溫度為２４C時(shí)，配備結(jié)合相變材料的熱管理和傳統(tǒng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的汽車運(yùn)行多工況后，電池的溫度如圖４所示，在等速３０ｋｍ／ｈ的工況下，電機(jī)需求電流小，電池發(fā)熱量小，電池溫升也小，兩種熱管理系統(tǒng)區(qū)別不明顯；在等速６０ｋｍ／ｈ、ＣＬＴＣ和ＮＥＤＣ工況下，結(jié)合相變材料的熱管理系統(tǒng)電池溫度最終穩(wěn)定在２５~２６’Ｃ，與傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)相比，最終溫度分別降低了４．４、４．５和７ｒ，這是由于相變材料在電池達(dá)到２５Ｉ：后便開始相變吸收電池釋放的熱量以抑制電池的溫升速度，并可以儲(chǔ)存熱量，大大抑制電池的溫升速度，使電池更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于最佳工作溫度，有利于維持電池的穩(wěn)定狀態(tài)，減小了純電動(dòng)汽車因電池溫度過高而發(fā)生自燃的風(fēng)險(xiǎn)；在１００ｋｍ／ｈ工況下，與傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)相比，結(jié)合相變材料的熱管理系統(tǒng)在前半部分電池溫升速度較慢，且比傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)遲１６．９ｍｉｎ達(dá)到３５ｒ，這是由于前期相變材料會(huì)吸收電池的一部分熱量，減緩電池升溫速度，而后半部分溫度趨勢(shì)相近且最終溫度也相近，這是由于為避免電池溫度不斷上升起出最佳工作溫度，散熱器和冷卻風(fēng)扇在電池溫度達(dá)到３５ｒ便開始工作從而抑制電池溫升，兩個(gè)系統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇狀態(tài)如圖５所示，在該仿真時(shí)長(zhǎng)中，結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的冷卻風(fēng)扇開啟時(shí)間僅為傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的７４．５％，節(jié)約了電量。

結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的輔助加熱效果

在環(huán)境溫度為－２0°Ｃ時(shí)，該純電動(dòng)汽車在上一次行駛時(shí)吸收大量潛熱且靜置長(zhǎng)時(shí)間后相變材料仍處于液體狀態(tài)。配備兩種電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的汽車運(yùn)行多工況后，電池的溫度如圖６所示，結(jié)合相變材料熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱管理的ＰＴＣ：工作時(shí)間比值、最大溫差如表３所示，從總體趨勢(shì)看，結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的電池溫度上升更快，最終溫度更接近２0°Ｃ，兩系統(tǒng)最大溫差均大于１０°Ｃ，并且其電池溫度始終比傳統(tǒng)熱管理電池溫度高，相比而言，采用結(jié)合相變材料熱管理系統(tǒng)的電池工作環(huán)境更適宜，縮短了電池因溫度低、內(nèi)阻大而內(nèi)阻損耗高的時(shí)間段，降低了內(nèi)阻損耗；同時(shí)ＰＴＣ工作時(shí)間短，最多可減少２９．１６％的開啟時(shí)間，降低了ＰＴＣ能量的消耗，節(jié)約了電池能量。

采用結(jié)合相變材料熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的整車電池荷電狀態(tài)（ＳＯＣ）差值情況如圖７所示，運(yùn)行結(jié)束后ＳＯＣ差值最小可達(dá)到１％，最大可達(dá)到１．２５％，ＳＯＣ差值十分明顯，因此可從結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中節(jié)約的ＳＯＣ情況計(jì)算出續(xù)航里程變化，如表４所示，在已經(jīng)節(jié)省的ＳＯＣ中最高可提高純電動(dòng)汽車７．１９ｋｍ的續(xù)航里程。

結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的高溫散熱效果

由于本文采用的相變材料的相變溫度為２５°C，當(dāng)環(huán)境溫度為高溫（大于２５°C）時(shí)，該相變材料的潛熱飽和，僅靠相變材料在融化后的顯熱不足以用于高溫下的電池散熱，因此在高溫環(huán)境下采用的散熱方式為散熱器散熱，與傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)一致，散熱效果明顯，可以有效地控制電池溫度，避免出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。但如果該結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用相變溫度為高溫區(qū)的相變材料，在高溫下也可以利用相變材料進(jìn)行散熱，情況與本文中常溫下的散熱效果相似，同時(shí)也為高溫下采用相變材料給電池散熱提供了理論依據(jù)。

03結(jié)論

本文提出的結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以用于不同環(huán)境下不同工況的電池?zé)峁芾韱栴}，能夠全面地反映該結(jié)構(gòu)的環(huán)境和工況適應(yīng)性。結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在常溫下可有效抑制電池溫升速度，使電池更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于最佳工作溫度，溫度最大可降低７’Ｃ，冷卻風(fēng)扇開啟時(shí)間僅為傳統(tǒng)電池?zé)峁芾淼模罚矗担?，?jié)約了電量；在低溫下可以更快地提升電池的工作溫度，最終溫度至少比傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)高１１．３’Ｃ，最多可減少２９．１６％的ＰＴＣ開啟時(shí)間，節(jié)約了大量能源，且有利于提高純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。同時(shí)，結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)為研發(fā)高溫下采用結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供了思路和參考。

【參考文獻(xiàn)】

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