动力电池热管理及其系统开发.pdf
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1、精品文档就在这里 -各类专业好文档,值得你下载,教育,管理,论文,制度,方案手册,应有尽有- - - 精品文档 - 动力电池热管理及其系统开发 2012 年 03 月 06 日 15:10 来源:汽车纵横2011 年 12 月刊文 王泰华 新能源汽车的关键技术之一是动力电池,电池的好坏一方面决定着电动汽车的成本, 另一方面决定着 电动汽车的续驶里程,这两项也是新能源汽车是否能为广大消费者接受和迅速得到普及的关键因素。所以, 围绕动力电池及其应用的研究显得特别有意义。 本文从动力电池的种类和应用入手,分别介绍了它的产热行为和各种热管理方式,然后通过一款混合动 力汽车的磷酸铁锂电池应用,对其热管理
2、系统、运行特性等进行分析和探讨,最后提出了后续热管理开发 中需要进一步研究的问题。 动力电池种类及应用 作为新能源汽车上的动力电池必须具备一定的条件, 首先是安全性,只有安全性达到了一定的标准才能 得到应用;其次是制造成本,那些制造成本低且寿命长的电池才有机会作为动力电池;再次,动力电池还 要具有高的能量密度和功率密度,这些是电动汽车是否具有高的续驶里程、加速性及爬坡度的一个衡量标 准;动力电池还必须能够回收,尽量减小对环境的污染。 根据动力电池的使用特点、要求、应用领域不同, 国内外动力电池的研发种类大致为: 铅酸蓄电池、镍 镉电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等,其中以锂离子电池的发展最
3、值得关注。 锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小、快速充电、自放电率 低等优点,其发展势头极为迅猛,已广泛应用笔记本电脑、移动电话、录像机、小型医疗保健设备、摩 托车、自行车等领域,而在航空、航天、航海和军事领域的应用研究也正在积极开展和深入,在电动汽车 领域目前已成为主要的动力源。 锂离子电池的技术发展呈现出多方向并举的局面,主要在于所采用的正极材料的不同。因为正极材料 的性能将很大程度地影响电池的性能。同时正极材料也直接决定电池成本的高低。目前已批量应用于锂电 池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂以及磷酸铁锂。但由于钴金属储量少、价格昂贵,而且作为 动
4、力电池其安全也存在问题, 目前应用最为广泛的是锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。 精品文档就在这里 -各类专业好文档,值得你下载,教育,管理,论文,制度,方案手册,应有尽有- - - 精品文档 - 产热行为 电池模块的热来源、产热速率、电池热容等有关参数,与电池的本质密切相关。电池放出热量取决于电 池的化学、机械、电学本质和特征,特别是电化学反应的本质。电池反应中产生的热能,可以用电池反 应热 Qr 来表示;电化学极化使电池实际电压偏离其平衡电动势,而由电池极化引起的能量损失用Qp来 表示。 电池反应除了按照反应方程式进行之外,还存在一些副反应,典型的副反应包括电解液分解及电池自 放电,这个过程中产生
5、的副反应热为Qs。此外,由于任何电池都会不可避免地存在电阻,故电流通过时就 会产生焦耳热Qj。因此,一个电池总的热量为如下几个方面的热量总和: Qt = Qr +Qp +Qs +Qj 根据具体充电(放电)过程的不同,引起电池产热的主要因素也不同。例如,在电池正常充电时, Qr 是主导因素;而在电池充电后期,由于电解液的分解,导致了副反应开始发生(副反应热为Qs ) ,当 电池接近充满电而进行过充电时,主要发生的是电解液分解,这时Qs占主导地位。而焦耳热Qj 则取决 于电流和电阻,常用的充电方式是在恒定电流下进行的,此时Qj 是一个特定值。 然而,在启动和加速时,电流比较大。这对于HEV来说,相
6、当于几十安培到上百安培的电流,这时候 焦耳热 Qj 很大,成为了电池放热的主要来源。 热管理方式 电池组中有电解液、电极、隔板等各种材料,由于高温会加速它们的老化速率,而且当电池组中温差较 精品文档就在这里 -各类专业好文档,值得你下载,教育,管理,论文,制度,方案手册,应有尽有- - - 精品文档 - 大时,高温部分的老化速率会明显快于低温部分,随着时间的积累不同电池之间的物性差异将越加明显, 从而破坏了电池组的一致性,最终使整组电池提前失效。所以,电池热管理设计对于维持电池正常工作, 延长使用寿命从而减少售后使用成本具有重要作用。 从控制性的角度,热管理系统可以分为主动式、被动式两类。从传
7、热介质的角度,热管理系统又可以分 为:空气冷却式热管理、液体冷却式热管理,以及相变蓄热式热管理。 以空气为传热介质的热管理 传热介质对热管理系统的性能和成本有重大的影响。采用空气作为传热介质就是直接把空气引入,使其 流过模块以达到散热目的,一般需有风扇、进出口风道等部件。 根据进风来源的不同,一般有以下几种形式: 1 外界空气通风被动式冷却 2. 乘客舱空气通风被动式冷却/ 加热 3. 外界或乘客舱空气主动式冷却/加热 被动式的系统结构相对简单,直接利用现有环境。比如,冬季电池需要加热,可以利用乘客舱的热环境 将空气吸入,若行驶中电池温度过高,乘客舱空气的冷却效果不佳,则可将外界冷空气吸入降温
8、。 而主动式系统,则需建立单独系统,提供加热或冷却的功能,根据电池状态独立控制,这也增加了整车 能源消耗和成本。不同系统的选择主要取决于电池的使用要求。 精品文档就在这里 -各类专业好文档,值得你下载,教育,管理,论文,制度,方案手册,应有尽有- - - 精品文档 - 以液体为传热介质的热管理 以液体为介质的传热,需在模块与液体介质之间建立传热通道,比如水套,以对流和导热两种形式进 行间接式加热和冷却,传热介质可以采用水、乙二醇甚至制冷剂。也有把模块沉浸在电介质的液体中直 接传热,但必须采用绝缘措施以免发生短路。 被动式液体冷却一般是通过液体- 环境空气换热后再将其引入电池进行二次换热,而主动
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