原创《液冷动力电池低温加热系统设计》：这篇液冷论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
摘 要：针对动力电池在低温环境下无法直接进行充电的问题,以液冷动力电池系统为研究对象,在大量动力电池充放电数据的基础上,结合动力电池的低温加热和保温需求,构建了液冷动力电池包低温加热和保温系统,设计了动力电池的充电和加热流程.根据传热学原理,结合动力电池生热计算理论公式,建立了动力电池的生热仿真计算模型,利用仿真计算工作来模拟分析动力电池低温加热系统的加热效果.通过在NEDC循环工况下的仿真和试验,验证了液冷结构动力电池包低温加热系统很好地满足了动力电池包低温环境下的加热和保温要求,具有良好的应用性.
关键词：电池；低温加热；保温
中图分类号：U467.1 文献标志码：A
动力电池是电动汽车重要的能量存储装置和动力来源,直接影响到整车的安全性使用性能.目前由于动力电池材料所限,动力电池的性能还无法满足低温和高温环境下的使用要求,因此需要设计单独的动力电池系统的温度管理系统（Battery Thermal Management,BTM）来对动力电池进行安全监控和有效管理,使得动力电池始终工作在合适的温度范围内,避免影響车辆的使用甚至引起安全事故,同时避免动力电池单体长时间存在较大的温差造成电池一致性的恶化,从而降低动力电池系统的性能,缩短电池的使用寿命[1-2].
相比风冷和自然冷却结构动力电池包,液冷结构的动力电池包具有更好的温度均匀性、更高的冷却效率和良好的NVH性能,特别是解决了风冷结构动力电池包箱体无法密封防水的问题,成为目前研究最热门的动力电池包冷却结构.
本文以一款液冷结构的锂离子动力电池包为研究对象,研究低温情况下的动力电池加热和保温方法.
1 动力电池的低温特性
试验数据表明,动力电池的性能受温度的影响非常明显.以一款液冷电池包选用的三元功率能量兼顾型锂离子动力电池为例,以SOC等于50%为基准,测试动力电池在不同环境温度下,静置20 h,以1 C的倍率进行充放电试验,测试动力电池的充放电容量和持续10 s的充放电功率,得到如图1所示的试验结果.表1为动力电池低温环境下容量和功率测试结果.
由图1和表1可知,在≤-30 ℃环境下,动力电池的容量和功率急剧降低,特别是充电容量和充电功率下降更加明显.由-30 ℃的动力电池测试数据可知,虽然动力电池还有接近30%的可用放电容量和放电功率,但是可用的1 C充电容量和充电功率降为常温的10%左右.低温情况下,动力电池的充电能力下降尤其明显.
动力电池理想的工作温度范围为10～35 ℃,在高温环境下（≥45 ℃）,1 C充放电容量基本上可以和常温保持一致,但是充放电功率明显下降,说明在高温环境下,动力电池内部活性物质化学反应速度加快,爆炸和起火的风险增高,为保障动力电池的使用安全性和延长循环寿命,动力电池可用的充放电功率明显降低.由此可知,设计动力电池包低温加热系统对于动力电池包在低温环境下的使用性能有着极其重要的意义[3-4].
2 动力电池低温加热、保温要求和热管理
设计方案
为了满足动力电池包的热管理目标,设计了如图2所示的动力电池液冷系统,该款液冷动力电池包包括两套冷却回路.默认的冷却模式为慢冷模式,慢冷模式即电动水泵驱动冷却液流经电池表面进行热循环的冷却方式,消耗的散热功率较小.只有在电池温度T>40 ℃的情况下,才会启动快冷模式,快冷模式是利用空调的冷媒流经液液交换器的方式快速冷却电池冷却液,从而达到在很短的时间内冷却电池的目的.当电池温度T<30 ℃且环境温度Ts <20 ℃时,退出快冷模式.
图3为动力电池系统充电和加热流程.当充电枪插上并唤醒充电机时,如果电池系统和充电机自检正常且没有系统错误,则闭合充电回路继电器,并判断电池温度.如果电池温度T<-10 ℃,则先行启动加热回路,利用充电机提供的充电能源对动力电池进行加热.在电池温度升高到T>10 ℃时,退出加热流程,电池系统进入充电模式,进行充电.电池低温情况下充电的原则是先加热,后充电.在连接充电枪的情况下,当电池处于满电状态,电池温度T<5 ℃且环境温度Ts <-10 ℃时,动力电池系统进入保温模式.
为了满足插电式混合动力汽车（Plug in Hybrid Electric Vehicle, PHEV）低温环境下的使用要求,整理提出液冷动力电池包的低温加热和保温要求如下：
1）-30 ℃环境温度下将动力电池冷却液温度升高到40 ℃的时间t<10 min；
2）动力电池包安装在整车上,初始温度为25 ℃,-20 ℃环境温度下,8 h内电池温度的降幅Δt<10 ℃.
3 动力电池低温加热、保温要求和热管理
设计仿真
为了能够计算动力电池加热效果和加热能耗,选用瞬态热传导方程对动力电池的加热系统进行建模,利用有限元法对电池不放电情况下的加热进行仿真计算.
3.1 建立动力电池热平衡方程
3.2 动力电池的热管理仿真分析模型
以上面的电池生热模型为基础,构建动力电池包的冷却系统仿真分析模型,利用ANSYS软件进行建模分析.该款PHEV动力电池包的液冷结构如图4所示.电池包液冷系统主要包含液冷板、管道、卡箍、集流板等部件,液冷板之间为串联模式,液冷板内部增加扰流小凸包扩大导热面积,提高热导率.冷却接口管径规格：外径20 mm,内径17 mm.冷却接口要求：镦头设计,铝制、表面光洁、防锈蚀处理、具有防错标识,电池箱体内部安装有保温棉.电池冷却液为50%的乙二醇溶液.
图5为液冷板仿真的流速云图.由图5可知,液冷板上的冷却管道设计为“S”型流动方式,且左右4块液冷管道均为并联结构,“S”型的设计保证了电池冷却液和电池单体的表面进行充分的热量交换,并联结构保证了每个不同部分的液冷板冷却液温度尽可能一致.仿真计算得到的流量最大差值为0.003 4,板间温度差异性不大.
液冷论文参考资料：
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