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2019年5月15日 星期三

Thermal management for HV batteries: 
What really matters 

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源:行业知识及专业技术

 一、動力電池熱管理系統的功能
由於過高或過低的溫度,都將直接影響動力電池的使用壽命和性能,並有可能導致電池系統的安全問題,並且電池箱內溫度場的長久不均勻分布,將造成各電池模組、單體間性能的不均衡,因此,電池熱管理系統,對於電動車輛動力電池系統而言是必需的。可靠、高效的熱管理系統,對於電動車輛的可靠安全應用意義重大。

電池組熱管理系統有如下5項主要功能:

①電池溫度的準確測量和監控。

②電池組溫度過高時的有效散熱和通風。

③低溫條件下的快速加熱。

④有害氣體產生時的有效通風。

⑤保證電池組溫度場的均勻分布。

 二、電池內傳熱的基本方式
電池內熱傳遞方式主要有熱傳導、對流換熱和輻射換熱3種方式。

電池和環境交換的熱量也是通過輻射、傳導和對流3種方式進行的。熱輻射主要發生在電池表面,與電池表面材料的性質相關。

熱傳導是指物質與物體,直接接觸而產生的熱傳遞。電池內部的電極、電解液、集流體等都是熱傳導媒介,而將電池作為整體,電池和環境介面層的溫度,和環境熱傳導性質,決定了環境中的熱傳導。

熱對流是指電池表面的熱量,透過環境媒介(一般為流體)的流動交換熱量,它也和溫差成正比。

對於單體電池內部而言,熱輻射和熱對流的影響很小,熱量的傳遞主要是由熱傳導決定的。電池自身吸熱的大小與其材料的比熱容有關,比熱容越大,散熱越多,電池的溫升越小。

如果散熱量大於或等於產生的熱量,則電池溫度不會升高。如果散熱量小於所產生的熱量,熱量將會在電池體內產生熱積累,電池溫度升高。

 三、電池組熱管理系統
設計實現按照傳熱媒介,可將電池組熱管理系統分為空冷、液冷和相變材料冷卻3種。考慮到材料的研發,以及製造成本等問題,目前最有效且最常用的散熱系統,是採用空氣作為散熱介質。按照散熱風道結構,空冷系統又可分為串行通風方式和並行通風方式兩種,如圖4-16和圖4-17所示。


 圖4-16 串行通風方式 

圖4-17 並行通風方式


串行情況下一般是使空氣從電池包一側流往另外一側,從而達到帶走熱量的效果。這時,氣流會將先流過的地方的熱量,帶到後流過的地方,從而導致兩處溫度不一致且溫差較大。而並行情況下模組間,空氣都是直立上升氣流。這樣能夠更均勻地分配氣流,從而保證電池包中各處的散熱一致性。

熱管理系統按照,是否有內部加熱或制冷裝置,可分為被動式和主動式兩種。被動系統成本較低,採取的設施相對簡單;主動系統相對複雜,並且需要更大的附加功率,但效果較為理想。圖4-18~圖4-20為空氣加熱與散熱主、被動結構示意圖。


 圖4-18 被動加熱與散熱-外部空氣流通 

圖4-19 被動加熱與散熱-內部空氣流通 

圖4-20 主動加熱與散熱-外部和內部空氣流


圖4-18和圖4-19中,儘管空氣是經過汽車空調或供暖系統,冷卻和加熱的,但它仍然被認為是一種被動系統。

運用這種被動系統,由於引入環境空氣的溫度的不一致性,環境空氣必須在一定溫度範圍(10~35℃)中才能正常進行熱管理,在環境極冷或極熱條件下,運行電池包可能會產生更大的不均勻。加熱系統中,除了採用將熱空氣引入電池包中的方式外,還可以採用其他方式,如圖4-21~圖4-24所示(方形電池)。 


圖4-21 電池列前後纏繞矽膠加熱線 

圖4-22 電池列間添加電熱膜 

圖4-23 電池本體上包覆電熱膜 

圖4-24 電池上、下添加加熱


動力電池的熱管理系統對電動汽車來說是相當重要的一部分,影響到電耗,續航,電池壽命等等。


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