冬季用车载铅酸蓄电池保温盒设计研究

摘 要：本研究提出针对冬季低温环境的车载铅酸蓄电池保温盒设计理念，利用刚停车时冷却系统中冷却液的余温对蓄电池进行保温，给出了原始设计形式和一定的初参数，在允许范围内制定了假设条件并在此基础上进行了简单的热力学计算和验证，画出概念图和给出相关建议。

关键词：低温环境；铅酸蓄电池；冷却液；保温盒；隔热层；“热墙”

1 引言

随着经济的发展，越来越多的家庭有了私家车，车辆在带来便利的同时，其损耗和保养也让车主十分头疼，尤其在冬季，低温往往会对车辆产生极为不利的影响，如冷却液冻结、发动机启动较慢等。与此同时，我们还注意到许多车主的车载蓄电池由于低温常常折寿，稍不注意就会发生结冰冻裂等现象，而加装保护套等方式又达不到理想的效果，对此，本文阐述了一种将车辆冷却液的余温用于对蓄电池进行短期保温的设计理念并进行了简单的热力计算以证明其可行性。

2 低温引起的问题

提及车辆，其强大的动力和便捷性给众多初见者留下了极为深刻的印象，从被发明的那一天起，作为车辆核心动力的发动机就有了一套完整的冷却和保护系统，但对车主而言冬季仍然是其爱车的噩梦，除了湿滑和结冰的路面引起交通事故以外，过低的气温常常成为车辆零部件损坏的罪魁祸首，尤其在中国东北等地区，室外的低温可在一夜之间将汽车冻成一个冰疙瘩，次日车辆启动困难，若是冷却液的配比有所偏差更有可能导致冷却系统的爆管，如今针对此关键问题所诞生的防冻液技术已经较为成熟，特制的润滑油也能对发动机有着极好的保养效果。

反观发动机的另一重要部件，车载蓄电池则得不到较好的保护，尤其在停车后发动机和蓄电池停止产热，车辆动力舱开始和外界低温环境进行无内热源的热量交换并在有限的时间内冷却到环境温度，独立于冷却和润滑系统之外的车载蓄电池无法从上面提到的种种技术中受益，特别是服役时间较长和过放电的车载铅酸蓄电池，极有可能因为内部电解液密度下降使得其冰点高于环境温度而导致溶液结冰造成电池极板胀裂、粉碎和电池外壳鼓包等不可修复的损失。

3 车载蓄电池的性质参数、主要作用及常规保护

1.性质参数

车载铅酸蓄电池是一种化学电源，依靠其内部化学反应来充放电能，常规的家用轿车蓄电池为6只2V的单格电池串联而成，其构成主要包含极板、隔板、外壳、电解液等，外壳常为ABS塑料，电解液为蒸馏水和纯硫酸配制而成。工作温度范围：0～45℃。

2.主要作用

（1）启动发动机时，给起动机提供很强的启动电流（200～600A）。

（2）当发电机过载时，协助发电机向用电设备供电。

（3）当发电机处于怠速时，向用电设备供电。

（4）当发电机端电压高于电池的电动势时，对自身充电。

（5）是一个大容量电容器，可以保护汽车的用电器。

3.常规保护

1）尽量保证蓄电池工作在合适范围以内。

2）若非免维护电池则应当定期注意电解液浓度。

3）低温环境下加装隔热材料制作的保温套。

4 本研究设想：利用冷卻液余热对蓄电池保温

虽然有以上种种对蓄电池的保护措施，然而在低温环境下仅靠蓄电池自身发热来保持温度较为困难，行车时动力舱内温度尚且较适宜，在停车后动力舱内温度很快会降到环境温度，仅仅靠保温套是无法保证车载铅酸蓄电池安全的，以下设计了一种利用冷却液余温来为蓄电池保温的保温盒，并初步验证了在12小时之内（大约为夜里下班到早上上班的停车时间）来为蓄电池保温的可行性。

1.思路来源

车辆动力舱内产热最大的部分是发动机，而冷却液带走了大部分的热量以保证发动机不会过热，冷却系统通过风扇的强制对流将冷却液的热量散发到环境之中。由此，联想到能否利用冷却液中的废热来维持车辆停运后蓄电池的温度。

2.基本情况

冷却液性质：45.3%乙二醇水溶液 、冰点-25℃、密度：1.0586 g/cm3 、比热容3.63 J/g*k。

冷却液的工作温度为75℃～90℃，家庭轿车容量通常为5～7升。

冷却系统自带循环泵提供动力。

12V车载铅酸蓄电池常规体积为：250mm*175mm*200mm（长*宽*高）

顶盖材料：ABS塑料，蓄电池整体与周围有约30mm的间隙可利用。

3.保温盒设计

保温盒共分为三层。

最外层选用金属料以保证强度，做成上端开口五面封闭的盒子，盒子厚度暂未定，上端开口是为了将蓄电池的上端裸露以散热和不影响使用，在另外五面内部设计抽真空夹层，使对外的热传导最小，起到保温效果。

中间层为冷却液层，考虑使用氧化铝等材料，只在保温盒四壁设有而底部没有，厚度为15mm，通过管道与冷却系统的冷却液管相连接，入口端在夹层上部，出口端在夹层下部，保证冷却液流通时新的热冷却液能够自上而下挤走上一次的较冷液体并充满夹层成为新的热源。在夹层与冷却系统的连接管上设置与温度传感器连通的电子阀，温度传感器用于测量蓄电池侧壁温度。

内侧层为隔热层，与外层一样为五面，厚度由具体情况而定，可使用聚氨酯泡沫等隔热性能较好的材料，减缓中间层对内部的热传导，防止新热源注入时瞬间过热。

4.概念图

5.工作原理

行车时保温盒整体对蓄电池进行保温，蓄电池自发热并且只有上层散热，使温度维持在一定工作范围内。

停车前打开电子阀通过将尚未冷却的冷却液导入中间层形成一堵高温墙，使得蓄电池只有顶端对外散热，而四围由冷却液作为一次性热源透过隔热层对内部的蓄电池进行缓慢的供热，让蓄电池和保温盒形成一个总体，在停车的时间内与外界低温环境只通过上部进行热传导，加大内部能量并减小对外交换。

5 可行性证明

1.参数选取和假设

（1）由于保温盒主要用于停车时，可将顶盖的ABS塑料表面看做无限大平板与环境间的非稳态导热并利用相关方法计算散热量。

（2）保温盒另外五面有真空层保温，视为绝热。

（3）自然对流系数可取1～10，此处取极限值为10，为最极端情况下上表面对环境的散热量最大值。

（4）保温时间设计为12小时（约为车辆日常使用时的最大值），蓄电池维持温度为t0=25℃，冷却液取较低温度为75℃，外界环境为tf =-5℃。

（5）顶盖ABS塑料参数：密度1050 kg/m3 比热容：1600 J/kg*K 导热系数：λ=0.209 W/m*K 厚度δ=18mm

2.计算过程

参考[1]中3.3.3，使用线图法计算保温所需热量

初始温度为25℃的蓄电池顶盖在无内热源的情况下会不断进行对外进行非稳态自然对流传热，令达到环境温度的时间为τ，完全散热的情况下有Q/Q0 =1。

毕渥数Bi=δh/λ= =0.86

热扩散率a=λ/ρc==

查无限大平板Q/Q0曲线（[1]第130页）得

当Q/Q0=1时，Fo*Bi2=8.2 又Fo*Bi2= h2aτ/λ2

可列方程h2aτ/λ2 ==8.2，其中分子中τ为所需的散热时间。

解得：时间τ为30000秒，即8.4小时。

总散热量

Q0 =ρcv（t0-tf）==362.88J

则粗略计算12小时内所需能量：

Qm =362.88J*12h/8.4h=524.245J

冷却液由75℃冷却到25℃温差有△t =50℃，则需要作为一次性热源来抵消这一部分热损失的冷却液体积Vm为

Vm =Qm /cρ△t=2.7L

设计冷却液夹层宽度为15mm，隔热层暂定10mm

則最多可容纳冷却液为：

2.88L（数据单位为dm）

2.88L>2.7L又实际自然对流换热系数<=10且在此设计下停车时蓄电池温度应当高于25℃，则可提供足够的热量。

6 总结

以上假设及计算过程从理论上简单验证了使用高温冷却液作为一次热源形成一层“热墙”并通过隔热层对内部蓄电池进行保温在能量守恒上的可行性，计算误差来源于图表算法中读图的准确性和各部分计算中有效数字的选择，另外由于蓄电池和保温盒整体主要由顶部单面向低温环境散热，四周向内部导热，会出现热量分布不均的情况，如何合理的使用聚氨酯泡沫等隔热材料和布置冷却液夹层将决定了蓄电池是否会过热。以上计算中取了最严重的散热情况和冬季最高的冷却液温度，实际情况下加入新的冷却液后温度会比75℃低而静止情况下自然对流系数将远小于10，也就是说供给的冷却液温度和所需的冷却液能量都不会那么极端，实际数值应当能够在较为缓和的情况下拟合到一起，且应当有比以上更加合理和细致的设计。对此笔者在自身条件许可范围内会使用fluent等模拟软件对此进行进一步验证和修改。

除了具体的保温盒部分，控制新旧冷却液替换的电子阀门应当可以和测量蓄电池温度的热传感器以及车载电控系统甚至智能手机相连通以监控并判断保温盒的工作状态，确保不会对蓄电池温度造成不良影响。对此，将另行研究，本文不进行探讨。

参考文献

[1]杨世铭.陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.8

[2] 马洪斌. 阀控铅酸蓄电池发展现状[J]. 蓄电池. 2004（03）

作者简介

刘光远（1994-），男，江苏淮安人，河海大学机电工程学院2012级本科生。