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电池组热管理系统的重要功能如下:
电池温度的精确测量和监控;②电池组温度过高时的有效散热和通风;
③低温条件下的迅速加热,使电池组可以正常工作;
④有害气体产生时的有效通风;⑤保证电池组温度场的均匀分布。
电池组热管理系统的核心技术
电池组热管理系统的核心技术有:
①拟定电池最优工作温度范畴;②电池热场计算及温度预测;③传热介质选择;
④热管理系统散热构造设计;⑤风机与测温点选择
热管理从性质上可分为降温过程和升温过程。
降温热管理
降温热管理最直接的目的是避免电池组的温度超过电池工作的最高温度,进一步的规定还涉及:控制电池组的温升,均衡电池箱内各点的温度,保持各单体电池的温度一致,避免因温度不同而导致电池组间的电池性能差别。
按照降温介质可以分为空气冷却法、液体冷却法和相变材料冷却法。其中,空气冷却是最便宜的措施;液体冷却除了需要盛放冷却介质的空间,还需在体外有额外的循环系统,相变材料冷却的措施较为昂贵[19]。
温度是一种惯性比较大的环节,因此对空气冷却降温热管理使用滞环的措施来控制,如图7所示,这样可以避免因温度在临界点波动导致风机频繁启停。
2)升温热管理
对于锂电池而言,低温下电池负极石墨的嵌入能力下降。因此,低温重要是对锂电池的充电有负面影响,对电池的放电则影响不大[20]。在低温时,由于电池的活性差,电池负极石墨的嵌入能力下降,这时大电流充电很也许浮现电池热失控甚至安全事故。因此,当电池管理系统监测到电池温度过低时会发出控制信息,告知充电机进行小电流充电。此外,由于低温(低于-10℃)环境下,电池的内阻会增长。在充电过程中,电池就会产生更多的热量,使得电池的温度逐渐升高。这样在进行一定期间的小电流充电后,当监测到电池的温度正常后,即可告知充电机恢复正常模式充电。综合以上的方略,锂电池的热管理控制流程图如图 8所示。
二(2)
BTMS一般有如下几项重要功能[4]:
(1)保持电池的温度均衡,以避免电池间的不平衡而减少性能;
(2)通过使用气体、液体、导体与电池直接或间接接触来积极或被动加热/冷却电池组;
(3)消除因热失控引起电池失效甚至爆炸等危险;
( 4) 提供通风,保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出,保证使用电池安全性。
2BTMS设计核心技术
不管在何种气候条件与车辆运营工况下,BTMS都要尽量地将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范畴内。因此设计BTMS的前提是要理解电池组
最优的工作温度范畴。本文研究的对象是磷酸铁锂电池,其安全工作温度:充电时,-10~ +45℃; 放电时,-30~+55℃,一般其最优工作温度范畴为10~50℃[5]。
目前,使用较多的几种散热方式为风冷散热、水冷散热、空调制冷和热电制冷[6](见表 1)。
在综合考虑了系统制作的难易限度和成本因素后,本文选择了风冷散热的方式,并且本田公司的思域和丰田的普锐斯也都采用了风冷散热方式。
电池包内不同电池模块之间的温度差别会加剧电池的不一致性,如果长时间积累会导致部分电池过充或过放,进而影响电池包的性能与寿命,并埋下安全隐
患。电池包内电池模块的温度差别与电池组布置有很大关系,一般中间位置的电池容易积累热量,两边的电池散热状况较好。因此在进行电池组系统的散热构造
的设计时,要尽量保证电池组散热的均匀性。对风冷散热而言,重要分为串行风冷和并行风冷 2种。
一般来说,采用并行方式进行通风更为有效[7],每个电池模块都可以吹到同样量的冷风,保证了模块间温度的一致性,并且电池组的温度可以用几种特定位置的温度传感器来显示,便于电池管理器对温度的采集[8]。本文采用并行风冷进行电池组散热。
电池分为上下两排放置,并由 3层支架固定在一起。每层支架上部横向开有 5个长条形孔(通道1~5) ,3 层支架上的孔构成了纵向的5个通道,用于气流通过。空气从进风口进入下部导( 集)流板,提成5股气流对电池进行冷却,最后在上部导(集)流板汇集后从出风口排出( 见图 1)。
本文重要是通过调节通道的间距以及变化集流板的倾斜角度,找出流速均匀性最佳的散热构造。对于调节通道的间距,一种是间距均等,另一种是使通道间距从左至右依次减小,通道间距的递减值分别为1、2和3mm,则每种方案下5 个通道上的实际间距见表2。
调节气流通道的间距,也即是调节其流动阻力,通道间距越小,则意味着阻力越大,当气流通道间距从左至右依次减小时,阻力依次增大,这样空气会根据其受到的阻力重新分派流量,从而起到调节空气流速分布的目的。这是一种直接调节流速的措施。
第2种措施是变化导流板与水平面夹角,本文采用了 3 种导流板倾斜角度方案,分别是2°、4°和6°。流体流动的主线因素就是压差,上下集流板倾斜角度的变化影响了通道两侧的压差,从而间接影响了流速[6]。这是一种间接调节流速的措施。
流速均匀性分析
本文采用 Gambit软件生成网格,然后导入 Fluent软件来对构造形式进行模拟计算,得到每种构造形式中5个通道的流速,从而分析间距递减值和集流板倾斜角度对流速分布的影响,并拟定出使流速均匀性最佳的构造形式[9]
见图 2 ~5)。
取每一种构造变动形式中的最大流速和最小流速的差值作为指标来衡量其流速均匀性,成果如图
6所示。可以看出,流速均匀性最佳的构造形式是通道间距递减值为2mm,导流板倾斜角度为4°的方案。
温度较低时( <-10℃),电池的活性较差,这时大电流充电也许引起热失控。因此,当系统监测到温度过低时会发出控制信息,告知充电机进行小电流充电。充电过程中,部分电能转为热量,电池会逐渐升温。这样在充电一段时间后,当监测到电池温度恢复正常后(>10℃),即可告知充电机停机。由于低温重要是对锂电池的充电有负面影响,而电池放电过程属于放热反映,电池的温度会不久上升到合适温度。因此,这一过程并不需要积极管理[11]。
当测温模块检测到温度 >70℃时,系统报警; 温度>50℃时,风机全速运营;当40℃<温度<50℃时,风机进入节电模式采用中速运营,直到低于40℃时风机停机。综合以上的方略,热管理控制流程图参见图 7。
在实验室常温条件下(25℃)几种电池组散热方式测试成果如表3所示。
以上测试成果表白,改善后的并行通风可以明显减少电池组的温度,且将温差控制在3℃以内,使电池温度维持在最优工作温度下且单体间温差最小。
三(3)
下面将采用通过仿真和实验相结 合的方法,对SWB6116HEV混合动力客车的 LiFePO4 电池包散热系统进行了研究,并在上述研究的基本上,找出了影响电池包散热性能的重要因素,对电池包散热系统进行了优化,得到了令人满意的成果。
1 LiFePO4电池的热物理模型为了对混合动力客车电池包中的热流场进行CFD仿真,一方面应当建立单体 LiFePO4 电池的热物理模型。
同其她类型的车载动力蓄电池同样,LiFePO4锂离子电池涉及正极板、负极板、隔阂、电解质溶液等。由于电池的构造十分复杂,故对其内部热场的精确仿真存在较大的困难。为此可以对电池的热物理模型进行必要的简化。文献[1]中将电池的发热功率解决为有关电池电流强度的函数;文献[2]中使用了ANSYS 软件对电池内部的热场分布进行了2D有限元仿真,并通过仿真成果指出:可以将电池内部解决为沿三个正交方向具有不同导热系数的均匀固体材料。
文献[3][4]给出了通过绝热实验测量单体电池发热功率和等效比热容的措施。根据文献[4]中建立的电池热平衡一般模型以及电池比热容的定义,绝热条件下有: