文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123364
电动汽车动力电池热管理实验与数值分析
饶中浩1,汪双凤1,2*,洪思慧1,巫茂春1,李复活3
(1 华南理工大学化学与化工学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州 510640;
2 山东省科学院工业节能研究中心,济南 250103;
3 三门峡速达交通节能科技股份有限公司,472000,河南,三门峡)
(Tel: 020-22236929, Email: ******@scut.)
摘要:为延长动力电池循环寿命,提升电动汽车整车热安全特性,本文采用实验与数值模拟相结合的方法,分析了基于相变材料热管理的LiFePO4动力电池散热性能。结果表明,电池模块的最高温度以及局部温差受相变材料导热系数与用量影响较大;相变材料导热系数足够大时,相变材料相变温度与环境温度差值越小,电池模块局部温差越小,但最高温度变化不大;环境温度过高时,相变材料能有效阻滞环境热量进入电池模块。
关键词:电动汽车,电池热管理,局部温差,相变材料,导热系数
0 引言
电动汽车在节能减排方面具有比传统车辆更好的优势,近年来发展迅速。发展电动汽车,关键是电池。无论是传统的铅酸,还是性能先进的镍氢、锂离子动力电池,温度对电池整体性能都有非常显著的影响[1],温度过高或过低均不利于电池性能的发挥[2]。Ramadass等人[3]对锂离子电池的研究表明,25℃和45℃时,800个循环之后,电池容量分别下降31%和36%;50℃时,600个循环后电池容量下降60%;55℃时,500个循环后电池容量下降70%。当容量衰减率为30%时,锂离子电池在45℃时循环寿命为3323次,而在60℃时仅为1037次[4]。电动汽车在爬坡、加速时,放电电流瞬间增大,产生的热量必然引起电池内部温度的升高,往往超过100℃。温度过高容易导致电池燃烧,严重时甚至发生爆炸。当温度过低时,由于电解液受冻等原因,电池无法放电或放电深度较浅[5]。另一方面,电池模块由若干单体电池组合而成,而单体电池在容量等参数上并不能加工成绝对一致,因此,随着动力电池使用时间的增加,其不一致性问题将会日益加深,具体表现就是局部温差过大。为提升动力电池循环寿命与整车性能,必须设计合理的电池热管理系统,避免电池温度过高或过低,同时尽量降低局部温差。
采用空气强制对流换热是最早的动力电池热管理方式,然而,对于铅酸电池,依靠自然对流或强制对流并不能有效解决其温度升高的问题[6];对于Li-Po电池,由于聚合物的导热系数小,仅依靠风冷也无法有效解决散热问题[7];Harmel等人[8]对镍氢电池以及Chen等人
[9]对锂离子电池的热平衡分析发现,当强制对流的强度增加到一定程度后,继续增加风速,电池温度变化并不明显。当环境温度较高时,如Nelson等人[10]对锂离子电池的研究表明,当电池处在温暖环境下时,采用空气冷却很难让66℃的电池温度降到52℃以下。随着电池尺寸增大、以及对电池功率要求的增加,风冷电池模块系统结构也随之变得更加复杂。因此,为降低甚至避免电池的二次能耗以及减少热管理系统的复杂性,本文针对电动汽车动力电池的热安全问题,设计了基于相变材料的动力电池散热系统,并通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了相变材料相变温度、导热系数以及环境状况对电