作者 | 史磊、耿東、王守棲（北京機械設(shè)備研究所，北京）

導(dǎo)讀：介紹了基于有機工質(zhì)氣-液兩相換熱的混合動力汽車動力電池一體化熱管理系統(tǒng)的工作原理、工質(zhì)選擇及控制策略設(shè)計。該系統(tǒng)采用有機工質(zhì)實現(xiàn)混合動力汽車動力電池在不同環(huán)境及工況下的溫度控制,具有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：動力電池;氣-液兩相;熱管理

為了確?；旌蟿恿ζ嚨碾姵亟M具有良好的工作性能,延長使用壽命,對動力電池組進(jìn)行有效的熱管理就顯得尤為重要。 

由于電池內(nèi)阻的焦耳效應(yīng)以及電池化學(xué)反應(yīng)生成的反應(yīng)熱,給電池組帶來很大的熱負(fù)荷[1] 。如果不能在車輛行駛過程中及時帶走上述熱量,勢必會影響電池的工作性能和使用壽命,甚至可能給行車安全帶來極大的隱患。對鋰離子電池而言,高溫加速動力電池電極、隔板等部件的老化。同時溫度不均衡將增大電池組間的物性差異性,從而破壞電池之間的一致性,造成單體電池間的性能不匹配,最終使整組電池提前失效。溫度過低充電時會引發(fā)鋰離子還原成金屬鋰枝晶體,易刺穿電池內(nèi)部隔膜,引發(fā)電車內(nèi)部短路,存在安全隱患。因此,有效的電池組熱管理(BTM) 是混合動力汽車(HEV) 在不同環(huán)境條件及工況下必不可少的工作,也是動力電池良好循環(huán)壽命和安全工作的保障[2] 。

01熱管理方式

動力電池?zé)峁芾韽男再|(zhì)上可以分為降溫過程熱管理和升溫過程熱管理。

升溫?zé)峁芾砭褪钱?dāng)電池所處的環(huán)境溫度過低時,升高電池箱的溫度,讓電池內(nèi)的活性物質(zhì)發(fā)揮其效應(yīng),提高電池利用率。電池加熱的方法主要有外部熱氣體加熱、加熱絲加熱、加熱板加熱、加熱膜加熱等。由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)較低,加熱效果不明顯:加熱絲和加熱膜等加熱方法普遍存在電池組內(nèi)部溫度不均衡現(xiàn)象。

目前應(yīng)用較多的熱管理方式主要有強制風(fēng)冷法、液體冷卻法、相變材料冷卻法等。

強制風(fēng)冷法是以空氣為冷卻介質(zhì),在風(fēng)機的驅(qū)動下對電池包進(jìn)行冷卻的方法。電池模塊內(nèi)的溫度差異與電池組的布置、通風(fēng)方式有著很大的關(guān)系。一般情況下,電池包內(nèi)邊緣電池散熱條件相對較好,中間位置的電池容易積累熱量,電池組的熱均衡性相對較差。

液體冷卻法是以液體作為傳熱介質(zhì),配以冷卻液泵和熱交換器的冷卻方式。液體冷卻分為直接接觸冷卻和非直接接觸冷卻兩種。非直接接觸傳熱(如傳熱管、夾套等),傳熱介質(zhì)可以用水、乙二醇等。對于直接接觸傳熱,可采用礦物油作為傳熱介質(zhì)。在模塊和傳熱介質(zhì)之間進(jìn)行傳熱的速率取決于液體的熱導(dǎo)率、粘度、密度和流動速率等,因此在選擇傳熱介質(zhì)時,盡量選擇熱導(dǎo)率高,流動性好的流體。

相變冷卻法是采用相變材料進(jìn)行熱傳遞,利用相變材料的狀態(tài)變化吸收電池散發(fā)出來的熱量,這種方法需要在電池之間填充相變材料,這將增加整體的質(zhì)量,填充的越緊密,交換的熱量越多,這就造成電池箱在組裝時的困難,在電池箱進(jìn)行調(diào)試與維修時也為相變的覆蓋而造成不必要的麻煩,另外相變材料的這種性質(zhì)也為電池箱的設(shè)計提出了設(shè)計難題[3]。

02系統(tǒng)方案

本動力電池的熱管理采用整車一體化熱管理方式。具體原理框圖如圖 1 所示。

電池組整體置于防爆電池箱內(nèi),防爆電池箱內(nèi)充注電池冷卻液。針對電池組的冷卻及加熱分別建立兩條換熱回路,對于電池組的加熱回路如圖雙點劃線所示,冷卻介質(zhì)經(jīng)由泵進(jìn)入換熱器內(nèi),冷卻介質(zhì)在換熱器內(nèi)吸收熱量,最后冷卻介質(zhì)進(jìn)入電池箱內(nèi)對電池組進(jìn)行加熱;對于電池組的冷卻回路如圖虛線所示,冷卻介質(zhì)在過冷液態(tài)經(jīng)由泵進(jìn)入電池箱內(nèi), 冷卻介質(zhì)在電池箱內(nèi)吸收電池組充放電過程中產(chǎn)生的熱量,最后進(jìn)入冷凝器內(nèi)冷凝為過冷液態(tài)。

有機工質(zhì)氣-液兩相換熱的基本原理

有機工質(zhì)氣-液兩相換熱是利用有機工質(zhì)相變換熱帶走冷卻對象的熱量,從而實現(xiàn)降低冷卻對象的溫升,使整個冷卻對象溫度分布均勻。

如圖2所示為某有機工質(zhì)等壓換熱過程的溫-熵圖。傳統(tǒng)的液體冷卻法冷卻介質(zhì)換熱過程位于液相區(qū),強制風(fēng)冷法冷卻介質(zhì)換熱過程位于氣相區(qū),由圖可知以上兩種換熱方式在換熱過程中存在較大的溫度梯度,嚴(yán)重影響冷卻對象的溫度均衡性。對于有機工質(zhì)氣-液兩相換熱,其有機工質(zhì)換熱過程基本位于氣-液兩相區(qū),相變過程中的換熱為等溫?fù)Q熱,有利于冷卻對象的溫度均衡。

氣-液兩相換熱有機工質(zhì)的篩選

理想的氣-液兩相換熱有機工質(zhì)應(yīng)該具備以下特點:

1) 良好的絕緣性

2) 安全性好:包括無毒性、非易燃性、抗爆性等

3) 化學(xué)穩(wěn)定性高

4) 常溫常壓下具有合適沸點

5) 氣化潛熱高

6) 較大的密度

7) 較低的成本

通過綜合篩選選擇 R123 作為系統(tǒng)氣-液兩相換熱有機工質(zhì)。R123 的主要物性參數(shù)如表 1 所示。

總體而言,R123 絕緣性良好;無毒、非易燃、具有一定抗爆性,安全性較高;最大耐受溫度、壓力較高,化學(xué)穩(wěn)定性好;常溫常壓下的溫度適中,適合于針對電池組進(jìn)行冷卻;氣化潛熱較高、密度較大,有利于降低冷卻循環(huán)流量;成本相對比較低廉,目前也大規(guī)模應(yīng)用于制冷行業(yè)[4-5]。

與水冷及空冷方案對比

在相同的熱力學(xué)條件下,分別選擇水,空氣、 R123 作為冷卻介質(zhì),對給定電池組進(jìn)行冷卻。首先建立動力電池組簡單換熱模型,如圖 3 所示。

絕熱條件下,動力電池組的熱平衡由公式(1) 所示:

其中, ΔQ 為電池組吸收熱量; Qp 為電池組產(chǎn) 生的熱量; Qc 為冷卻介質(zhì)帶走的熱量。為杜絕電池 組熱失控現(xiàn)象,則期望 ΔQ = 0,即 Qp = Qc 。 

假定單位時間內(nèi)電池組產(chǎn)生的熱量為定值,冷 卻介質(zhì)側(cè)的換熱量 Qc 由公式(2)所示。

相關(guān)文獻(xiàn)表明 LiFeP04 鋰離子電池的最佳工作溫度范圍是20 ℃ ~ 40 ℃ 。設(shè)定動力電池組最大用工作溫度為 50 ℃ ,為了保證熱源與冷卻介質(zhì)間的可靠換熱,設(shè)定冷卻介質(zhì)側(cè)出口溫度 t2 = 40 ℃ 。通常大氣環(huán)境溫度為 20 ℃ ,則設(shè)定冷卻介質(zhì)側(cè)進(jìn)口溫度 t1 = 25 ℃ 。假定冷卻介質(zhì)與電池組間的換熱為等壓換熱,冷卻介質(zhì)蒸發(fā)壓力為 0. 12 MPa,則 P1 = P2 = 0. 12MPa 。

在相同的熱力學(xué)條件下,水,空氣、R123 三種冷卻介質(zhì)對應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)如表 2 所示。

經(jīng)計算,三種介質(zhì)所需要循環(huán)質(zhì)量流量比為 mR123 :mwater:mair = 1:2. 89:12。由此可知,對于給定動力電池組,在相同的換熱條件下,采用 R123 作為冷卻介質(zhì)的方案,其系統(tǒng)循環(huán)流量遠(yuǎn)小于水冷和空冷方案的系統(tǒng)循環(huán)流量。這將有利于減小動力電池箱體積和重量。同時,對于水和 R123 兩種冷卻介質(zhì),均是液態(tài)通過泵輸送到電池箱內(nèi)。經(jīng)計算,對應(yīng)所需的泵功比為wp-R123 :wp-water= 1:4.24。由此可知,采用R123作為循環(huán)工質(zhì)的氣-液兩相換熱方案,系統(tǒng)功耗更小。

如圖 4 所示,為三種冷卻介質(zhì)的溫-焓圖。如圖(a)、(c)所示,水冷方案和空冷方案的換熱過程分別位于液相區(qū)和氣相區(qū),冷卻介質(zhì)的吸熱過程均伴隨著自身溫度攀升,不利于系統(tǒng)換熱的進(jìn)行,同時也加劇了動力電池箱內(nèi)部的溫度不均衡性。對于有機工質(zhì)氣-液兩相換熱方案,如圖( b)所示,換熱過程主要位于兩相區(qū),此時冷卻介質(zhì)溫度保持不變,在保證系統(tǒng)換熱的同時,也最大限度的保證電池箱內(nèi)部溫度的均衡性。

03系統(tǒng)控制策略

加熱控制策略

動力電池組的加熱需求主要出現(xiàn)車輛在高寒地 區(qū)、冬季低溫啟動階段。此時電池組溫度較低,其內(nèi)部活性材料無法進(jìn)行充放電反應(yīng),造成嚴(yán)重的能源浪費,必須對其進(jìn)行升溫加熱處理。在動力電池組正常充、放電使用過程中,由于電池內(nèi)阻的焦耳效應(yīng)及電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)等都產(chǎn)生大量的熱量,同時整個電池箱采用隔熱設(shè)計。因此,動力電池組在 正常使用過程中,基本不存在加熱升溫需求。 

在混合動力汽車低溫啟動時,動力電池組溫度較低,無法正常使用。為了保證車輛正常啟動,此時車輛動力源由內(nèi)燃機提供。同時利用內(nèi)燃機及電機的余熱資源為動力電池組加熱。此時,換向閥 1、2 的 b 通道開啟,導(dǎo)通電池工質(zhì)加熱回路;同時開啟閥門 A、C,向換熱器提供循環(huán)熱水。加熱循環(huán)過程中循環(huán)介質(zhì)經(jīng)由泵輸送進(jìn)入換熱器中吸收冷卻水的熱量;隨后高溫循環(huán)介質(zhì)進(jìn)入電池箱內(nèi)對電池組加熱; 換熱后的循環(huán)介質(zhì)再次通過泵輸送至換熱器換熱。 

通過調(diào)節(jié)循環(huán)工質(zhì)流量及流經(jīng)換熱器的冷卻水流量,控制換熱器循環(huán)工質(zhì)出口溫度,從而實現(xiàn)對電池組加熱的溫升控制。

冷卻循環(huán)策略

動力電池組在充、放電使用過程中,由于電池內(nèi) 阻的焦耳效應(yīng)及電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的 熱量。為了防止電池組的溫度超過電池組的最大許 用溫度,必須控制電池組的溫升。同時,由于單體電 池間的不均衡性,電池箱內(nèi)部的溫度也存在一定差異。 為保持電池箱內(nèi)部溫度場的均衡性,防止因溫 度不同造成的電池組間的電池性能差異,也必須平 衡電池組間的溫度差異。

在混合動力汽車采用動力電池作為動力源時, 為保證電池的圓形安全性,最大限度的利用電池組 的容量,必須對電池組的溫度進(jìn)行控制。此時,換向 閥 1、2 的 a 通道開啟,導(dǎo)通電池工質(zhì)冷卻回路;同時 關(guān)閉閥門 A、C,防止內(nèi)燃機循環(huán)冷卻水通過換熱器 向冷卻介質(zhì)提供熱源。冷卻循環(huán)過程中過冷態(tài)的循 環(huán)介質(zhì)經(jīng)由泵輸送進(jìn)入電池箱內(nèi)中吸收電池組在工 作過程中產(chǎn)生的熱量,均衡電池箱內(nèi)的溫度梯度,在 電池箱工質(zhì)冷卻回路出口處轉(zhuǎn)化為氣液兩相態(tài)或過 熱氣態(tài);隨后高溫冷卻介質(zhì)進(jìn)入冷凝器內(nèi)冷凝,在冷 凝器出口再次轉(zhuǎn)化為過冷液態(tài);過冷液態(tài)冷卻介質(zhì) 再次通過泵輸送至電池箱內(nèi)換熱。 

通過調(diào)節(jié)循環(huán)工質(zhì)流量及冷凝器散熱風(fēng)扇 2 的 風(fēng)量,調(diào)節(jié)冷卻回路循環(huán)壓力,保證循環(huán)工質(zhì)在冷凝 器出口被冷卻至過冷液態(tài),從而實現(xiàn)對電池組生熱 的可靠控制,保證電池箱內(nèi)溫度的均衡性。

04結(jié)論

本文利用有機工質(zhì)氣-液兩相換熱技術(shù)實現(xiàn)混合動力汽車動力電池一體化熱管理的方案具有以下特點:

(1)動力電池箱采用防爆式設(shè)計,可靠保證動力電池組在極端情況下的安全性。

(2)動力電池組整個浸入在電池冷卻介質(zhì)內(nèi),最大限度的保證電池組的溫度均衡性。

(3)采用有機冷卻介質(zhì),系統(tǒng)更緊湊、功耗更小。

(4)在加熱循環(huán)中,冷卻介質(zhì)吸收內(nèi)燃機及發(fā)電機在工作過程中釋放的熱量為電池組進(jìn)行加熱,充分利用了內(nèi)燃機及發(fā)電機的余熱資源。

(5)在冷卻循環(huán)過程中,充分利用冷卻介質(zhì)在氣-液兩相區(qū)的等溫?fù)Q熱效應(yīng),最大限度的減小電池組在換熱過程中的溫度波動。