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串/并联式冷却流道设计对动力电池热均衡性效果对比分析

2018-10-20 10:38:56 次浏览

通过一个优秀的导流设计方案,可以使一款新能源汽车的动力电池箱体内部形成制定的气流循环模式,从而达到均衡控制电池内部环境温度,降低不同电池单元之间的温度差,提高电池使用寿命。
动力电池组作为新能源汽车唯一的动力核心,其成组性能是影响电动汽车整车性能的关键。通常情况下,新能源汽车电池组是由若干小容量的单体电芯经过并联、串联整合成大容量的电池模组,模组再经并联、串联并且辅以相关电源管理元器件最终集成电池包系统。
动力电池热均衡重要性
由于环境温度的变化,引起各个电芯之间温度差异,导致电池包整体性能参数下降,甚至降低电池寿命,因此,电池组热管理是影响电池包性能的关键因素。电池热管理有两个重要参数:
第一是所有电芯的平均温度;
第二是温度梯度,即不同电芯之间的温度差异。
针对不同的电芯,会有一个最佳温度范围,而各个电芯的温度差异越小越好。现有用于纯电动汽车动力用的电池包模组由于设计缺陷,致使靠近外侧的电池单元外围温度较低,而位于中心位置的电池单元外围温度极高,形成较大的温度差,如图1所示,假设电池单元的发热量相同,由于空间位置造成的散热条件差异引起热边界的不同,造成中心电池单元温度高,而边缘电池单元温度低的现象,随着电池组数量的增大,这种热量在中心的集聚效应越明显,电池模块之间的温度差就越高,这一缺陷一定程度上限制了电池使用寿命。
锂离子电池包热管理的要求是根据不同电池种类的发热机理,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连接的。相关研究表明,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%。
串、并联式冷却通道效果对比分析
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。按照传热介质的不同可以分为空气强制对流、液体冷却、相变材料(PCM,Phase Change Material)、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。但是无论是采用何种传热介质,都无法躲避单体电芯是选用串联式还是并联式的冷却通道这个命题。
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。

(图2)

在图2设计的串、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。


(表1)
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,对于采用风冷式热管理系统的动力电池组而言,并联式的电芯连接方式会更具有优势。

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。


(图3)
在(图3)串、并联冷却通道中,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)。冷却液以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。

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,但是胜在系统设计较为简单稳定。但是对于追求更高性能的混合动力或者电动汽车而言,空气冷却是很难满足要求的,而纯液体冷却效果更好(见表2)。


(表2)
通过仿真分析得到电池温度表格(如表2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。
结论
通过结合仿真实验和软件研究,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。
(1)风冷在不同的流道下,对电池的温度一致性影响较大,但并联流道无论是从散热效果还是热均衡性上都好于串联流道;
(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。

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