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串/并聯式冷卻流道設計對動力電池熱均衡性效果對比分析

2018-10-20 10:38:56 次瀏覽

通過一個優秀的導流設計方案,可以使一款新能源汽車的動力電池箱體內部形成制定的氣流循環模式,從而達到均衡控制電池內部環境溫度,降低不同電池單元之間的溫度差,提高電池使用壽命。
動力電池組作為新能源汽車唯一的動力核心,其成組性能是影響電動汽車整車性能的關鍵。通常情況下,新能源汽車電池組是由若干小容量的單體電芯經過并聯、串聯整合成大容量的電池模組,模組再經并聯、串聯并且輔以相關電源管理元器件最終集成電池包系統。
動力電池熱均衡重要性
由于環境溫度的變化,引起各個電芯之間溫度差異,導致電池包整體性能參數下降,甚至降低電池壽命,因此,電池組熱管理是影響電池包性能的關鍵因素。電池熱管理有兩個重要參數:
第一是所有電芯的平均溫度;
第二是溫度梯度,即不同電芯之間的溫度差異。
針對不同的電芯,會有一個最佳溫度范圍,而各個電芯的溫度差異越小越好?,F有用于純電動汽車動力用的電池包模組由于設計缺陷,致使靠近外側的電池單元外圍溫度較低,而位于中心位置的電池單元外圍溫度極高,形成較大的溫度差,如圖1所示,假設電池單元的發熱量相同,由于空間位置造成的散熱條件差異引起熱邊界的不同,造成中心電池單元溫度高,而邊緣電池單元溫度低的現象,隨著電池組數量的增大,這種熱量在中心的集聚效應越明顯,電池模塊之間的溫度差就越高,這一缺陷一定程度上限制了電池使用壽命。
鋰離子電池包熱管理的要求是根據不同電池種類的發熱機理,合理設計電池包結構,選擇合適的熱管理方式,合理設計熱管理策略,保證電池包內各個單體電池工作在合理溫度范圍內的同時盡量維持包內各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。由于電池組中單體電池是互相連接的。相關研究表明,任何一只電池性能下降都會影響電池組的整體表現。溫差為5℃、10℃、15℃時,相同充電條件下電池組的荷電態分別下降10%、15%、20%。
串、并聯式冷卻通道效果對比分析
按照能量提供的來源分為被動式冷卻和主動式冷卻,其中只利用周圍環境冷卻的方式為被動式冷卻,組裝在系統內部的、能夠在低溫情況下提供熱源或者在高溫條件下提供冷源,主動元件包括蒸發器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等的方式為主動式冷卻。按照傳熱介質的不同可以分為空氣強制對流、液體冷卻、相變材料(PCM,Phase Change Material)、空調制冷、熱管冷卻、熱電制冷和冷板冷卻等。根據不同的放電電流倍率、周圍溫度等應用要求選擇不同的冷卻方式。但是無論是采用何種傳熱介質,都無法躲避單體電芯是選用串聯式還是并聯式的冷卻通道這個命題。
空氣作為傳熱介質就是直接讓空氣穿過模塊以達到冷卻、加熱的目的。很明顯空氣自然冷卻電池是無效的,強制空氣冷卻是通過運動產生的風將電池的熱量經過排風風扇帶走,需盡可能增加電池間的散熱片、散熱槽及距離,成本低,但電池的封裝、安裝位置及散熱面積需要重點設計。

(圖2)

在圖2設計的串、并聯風道中,放置6塊發熱電池,假設電池密度均勻(2700kg/m3),熱生成率相同(50000w/m3)??諝庖?m/s的速度流入,進口溫度為25℃(298K),出口自由敞開,電池模型使用結構體網格,數量為25萬個。


(表1)
通過仿真分析得到電池溫度表格(如表1所示)。串聯式流道整體溫差為5.6℃,并聯式流道整體溫差為3.0℃;串聯流道中間電池熱累計較多,整體溫度較高,一致性較差;并聯流道整體溫度較低,一致性較好;但因本例入口風道為水平直角,故靠近入口電池溫度較高。若將風口向上傾斜一定的角度,散熱效果會更好。因此,對于采用風冷式熱管理系統的動力電池組而言,并聯式的電芯連接方式會更具有優勢。

但在復雜工況下,液體冷卻才可達到動力蓄電池的散熱要求。采用液體與外界空氣進行熱交換把電池組產生的熱量送出,在模塊間布置管線或圍繞模塊布置夾套,或者把模塊沉浸在電介質的液體中。


(圖3)
在(圖3)串、并聯冷卻通道中,放置6塊發熱電池,假設電池密度均勻(2700kg/m3),熱生成率相同(50000w/m3)。冷卻液以5m/s的速度流入,進口溫度為25℃(298K),出口自由敞開,電池模型使用結構體網格,數量為25萬個。

實驗結果表明相對于液體冷卻/加熱,空氣介質傳熱效果不是很明顯,但是勝在系統設計較為簡單穩定。但是對于追求更高性能的混合動力或者電動汽車而言,空氣冷卻是很難滿足要求的,而純液體冷卻效果更好(見表2)。


(表2)
通過仿真分析得到電池溫度表格(如表2所示),在不同流道設計的情況下,液體冷卻溫度一致性較好。雖然并聯流道整體溫度低于串聯流道,溫度僅相差0.4℃。但從實際與設計角度考慮,串聯流道結構規整簡單更適合產品設計。
結論
通過結合仿真實驗和軟件研究,在風冷與液冷兩種不同模式不同的流道下,對電池溫度冷卻效果進行比較。
(1)風冷在不同的流道下,對電池的溫度一致性影響較大,但并聯流道無論是從散熱效果還是熱均衡性上都好于串聯流道;
(2)液冷無論在串、并流道下,對電池溫度的一致性影響較小,并且整體散熱效果要遠好于風冷方式。

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