浅谈新能源汽车用锂电池热管理系统设计

2019-02-05 03:46谢佳平
时代汽车 2019年22期
关键词:热能极化锂电池

谢佳平

上海松岳电源科技有限公司 上海市 201804

1 引言

锂电池生热首先会对自身造成影响,导致电能输出功率不稳定或中断,由于电能是新能源汽车的驱动能源,一旦出现此类现象就代表汽车失去动能,这对于高速行驶的新能源汽车而言十分危险,其次热能还可能对周边线路造成影响,间接引发其他故障。由此可知锂电池热管理系统的重要性,但该系统在不同新能源汽车中的设计方式不同,就这一点文中将提出两种热管理系统设计方案,并对两者进行仿真测试对比两者优劣。

2 锂电池生热与传热机理

2.1 生热机理

锂电池生热机理可以帮助我们对电池温度进行预测,同时给予热管理系统设计信息支撑,因此有必要对此进行分析。根据相关研究得知锂电池生热原因有四,分别为焦耳热、反应热、极化热、副反应热,四者在锂电池运作中同时存在,因此电池总生热量为四者相加之和,但要确认总生热量数值就必须先确认四者实际热量,就这一点下文将对四者产生机理与计算方法进行分析。

2.1.1 焦耳热

焦耳热是在焦耳原理下产生的热能,即锂电池的壳体、极柱、正负极等组成部分都存在内阻,相应在运作中电流会与内阻接触激发焦耳原理,最终出现焦耳热。焦耳热是锂电池运作中最主要的热源,其恒定为正值。关于焦耳热的计算方法见公式(1)[1]。

式中Qj代表焦耳热;I代表电流大小;RΩ代表电池欧姆内阻。

2.1.2 反应热

锂离子电池的工作原理为:锂离子、电子之间不断进行正负极的嵌入和脱嵌,这一过程代表电池运作时内部粒子存在转移动作,此动作就会产生反应热。根据理论可知反应热可逆,代表电池无论在充电或者放电条件下热量大小都是相等的,但正负相反(充电为负、放电为正)。关于反应热的计算方法见公式(2)。

式中Qr代表反应热;m代表电极质量;n代表电池数量;QI代表电池正负极化学反应总生热量;M代表摩尔质量;F代表法拉第常数。

2.1.3 极化热

极化是锂电池运作中必然存在的现象,具体表现有三:①因欧姆内阻导致的欧模电阻极化;②因电子移动速度超过电极反应速度导致的电化学极化;③因锂电池内锂离子扩散速度低于电极反应速度导致的浓差极化。在任意极化表现下都会带来压降,相应就出现了极化热,极化热同样恒定为正值。关于极化热的计算方法见公式(3)。

式中Qp代表极化热;Rp代表极化内阻;R0、Rn、Rd代表以上三种极化现象,说明三者将同时存在。

2.1.4 副反应热

副反应热是一种出现概率、造成热量较小的锂电池热源,即只有在锂电池过充电或过放电条件下,导致电池电极材料出现分解状态时才会出现副反应热。就这一点可知,现代新能源汽车锂电池运作中基本不会出现过充、过放现象,因此副反应热可以忽略不计。

2.2 传热机理

在锂电池生热之后,热能对传播到周边物体上,这一表现即为锂电池的传热现象。传热现象的机理表现有三,分别为热传导、对流换热、热辐射,下文将对三者进行分析。

2.2.1 热传导

热传导是一种利用肉眼不可察介质实现热能传播的物理现象,在生活中十分常见。例如当锂电池生热之后,附着于锂电池上的粒子温度就会升高,随后因为粒子存在无序运动行为,所以当带有温度的粒子与周边事物接触,就实现了热能传播[2]。

2.2.2 对流换热

对流换热是一种以流体为介质实现热能传播的物理现象,即当流体整体存在温差时,受流体的宏观位移使得温度相互混合,由此就实现可传热。另外,对流换热同时还具备热传导的特征,即只有在外部与流体之间存在温差才能实现热能传播。

2.2.3 热辐射

热辐射是一种不需要介质或媒介就能实现热能传播的物理现象,即任何温度大于0k的物体都具有吸收热能的作用,相应受发热物体粒子运动下产生的电磁波影响,会导致其他物体温度升高。

3 热管理系统设计

3.1 设计方案一

方案一设计中,首先依照5mm的间距将所有锂电池分为两列,通过条形支架对电池进行固定、支撑,支架的安装与安装面平行,其次进行空气进出口设计,主要采用矩形形状。表1为方案具体数据;方案一设计结构见图1。

表1 方案具体数据

图1 方案一设计结构

对方案一运作进行理论分析:气体将通过箱体的左下方进入箱体内,方向为水平向,通过内设导流板(因导流板并不会影响到模型运作,因此在设计部分省略)使气流均匀渗透到电池间隙,利用气流流动带走电池表面热量,再从右上方出口排出,由此实现散热。在整个设计当中,因为支架缘故气流进入箱体后并不会出现紊乱,而是不断朝出风口发展,可保障散热功能的有效性。

3.2 设计方案二

方案一的特点在于风力进入箱体后可以均匀的对每个电池进行散热,但该方案的面积较大,可能不适用于内部空间较小的新能源汽车,就这一点本文将在方案二中,采用与方案一相同的材料进行热管理系统设计,旨在降低系统面积,且不影响散热能力。图2为方案二设计结果。

图2 方案二设计结果

根据图2可知,方案二与方案一的根本差别有二,即电池排列均采用阶梯形式,由高至低各相差50/7mm,此举使得箱体的高度减小,且不需要采用菱形箱体来进行设计,说明系统面积得到降低;为了不影响到散热能力,方案二中并没有安装导流板,此举是为了避免导流板对风力的阻隔,提高了系统内部空间的空气密度与强度,确保散热能力不会降低。综上,方案二的使用更具优势,建议采用这种方式进行新能源汽车锂电池热管理系统设计。

4 系统仿真测试

4.1 测试思路

介于方案一、二的散热原理都在于风力,因此在仿真测试当中,主要模拟一个风力环境,再将两个方案模型放入该环境当中,通过数据可知两者优劣。风力环境参数为:进口风速依次设置为1、2、3m/s;系统初始温度及进气温度为25℃;放电倍率为3C;仿真时间10min[3]。

4.2 方案一测试结果

根据方案一仿真测试结果可知,方案一在不同风速条件下电池温度分布并没有发生变化,都存在上部温度低、下部温度高、左侧温度低、右侧温度高的现象,从这一点上可以看出,方案一的散热效果实际上仍旧存在不均匀的现象。

另外,通过观察发现在方案一进风口角度上,其在风速为1m/s时左右两侧电池温度出现了较大的温差,但上下电池温度没有出现影响;在风速为2m/s时左右两侧电池的温差值大幅减小;在3m/s时左右两侧电池的温差值并未发生变化。综上可知,方案一的散热必须建立在较强风力的条件下才能发挥有效作用,但能效存在较大上限,并不存在“风速越大则散热效果越好”的表现。

4.3 方案二测试结果

根据方案二仿真测试结果可知,方案二在不同风速条件下电池温度分布同样没有太大变化,但在各锂电池的温度丰富表现相对良好,温差数值不大,说明方案二可以更好的维护锂电池内部的热均衡分布,具有更优秀的性能表现。

另外,通过观察发现在方案二进风口角度上,其在风速为1m/s时左右两侧电池温差较于方案一更小,但差值依旧较大;在风速为2m/s时左右两侧电池的温差值大幅减小;在3m/s时左右两侧电池的温差值进一步减小。综上可知,方案二的散热能力对于风力的要求低于方案一,且能效上限也大于方案一,再一次证实了方案二的优势。

5 结语

综上,为了保障新能源汽车电能供给稳定与形式安全,文章对锂电池热管理系统设计进行了分析,可知锂电池生热来源于四大热源,且会对周边线路造成影响。针对锂电池生热现象,提出了两种热管理系统设计方案,并采用仿真测试对两者的散热表现、原理进行分析,结果显示两个方案均具备散热能力,但方案二的散热性能与体积更具优势,因此建议选择方案二来进行锂电池热管理。

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