基于数值模拟的动力电池热管理系统设计<br/>——评《电动汽车动力电池热管理技术》

基于数值模拟的动力电池热管理系统设计
——评《电动汽车动力电池热管理技术》

2021-07-10黄艺坤

电池 2021年3期

傅刚,黄艺坤

( 1. 福州职业技术学院,福建福州 350001; 2. 福建师范大学协和学院,福建福州 350117 )

近年来,我国的电动汽车发展趋势强劲,提高电动汽车的续航里程,既需要发展电池技术,也需要建立有效的热管理系统。易卜拉欣·丁塞尔等著的《电动汽车动力电池热管理技术》一书,聚焦于电动汽车热管理系统的研究,对组成结构、相变材料、模型建立、经济性和环保性评估及优化方法等进行了详细介绍,并列举了实际案例。

《电动汽车动力电池热管理技术》一书由8 章组成。第1 章介绍了电动汽车的分类、架构、储能系统等相关内容;第2 章对电动汽车电池技术以及电池管理系统(BMS)等进行了详细介绍;第3 章给出了电池热管理系统中使用的相变材料,并对其基本性质做了研究;第4 章详述了建立电池模型的方法和步骤,并通过仿真实例验证模型的正确性;第5 章建立了动力电池液态热管理系统热力学模型,并对模型进行评估测试;第6 章从经济性、环保性等方面对电池热管理系统进行分析,并给出优化方法;第7 章将本书建立的数学模型应用在实际案例中,以证明模型的有效性和可靠性;第8章分析了电动汽车技术和热管理系统的应用前景。

1 电动汽车及电池技术

近年来,随着国家相关政策的出台及人们环保意识的提高,电动汽车的市场占有率逐渐增长,生产厂家也都不遗余力地研发电动汽车,以提高安全性和续航里程。通常来讲,电动汽车包括纯电动汽车(AEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCV)等。电动汽车可从供电站、储能站、车载发电机等设备中获得电能,具有低噪声、环保低污染、低运营成本和均衡电网负载等优点。电池作为主要储能设备,可提供较高的峰值及平均功率,为车辆的运行提供动力,但能量密度不高,导致续航里程受限,同时,充电速率也较慢。为了解决该问题,科研人员将超级电容器作为能量存储装置。超级电容器的电容量大、充电速率快、使用寿命长,对环境温度的变化不敏感,常与锂离子电池、铅酸电池混合使用,可在降低成本的基础上提高效率。电动汽车的续航里程,受电池性能的影响较大,需要在电动汽车中加入热管理系统,使电池在适宜的温度范围内工作。热管理系统包括:①散热器回路,用来冷却发动机;②电力电子冷却回路,用来冷却功率逆变器和电池充电器;③驱动单元冷却回路,用来冷却驱动单元;④空调和电池冷却回路,用来控制电池及乘员舱的温度。

电池作为储能元件,在电动汽车中使用广泛。常用的电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。铅酸电池的成本低,可回收再利用,部分可以免维护;镍镉电池放电倍率高、温度范围宽,几乎无需维护,但能量密度低,且对环境的影响较大;镍氢电池的循环性能好,但成本较高;锂离子电池使用寿命长,污染较小,使用厂商多。为了使电池更好地工作,人们构建了BMS 以稳定电池性能。 BMS 可实现电池电压、电流等参数的监控,具有电池充电控制、热管理、数据通信和故障诊断等功能,能保证电池的安全稳定运行。

2 电池热管理系统中的相变材料

相变材料(PCM)是指在相变(熔化或固化)过程中具有高熔化潜热的材料。在特定条件下使用的PCM,要能够在保证温度变化不大的情况下吸收或释放热能。电池热管理系统作为电动汽车的主要散热系统,要在特定条件下释放大量的热量,并保持电动汽车的稳定运行,在其中应用PCM,可以充分发挥PCM 的特点。依据换热类型和状态变化的不同,PCM 可分为有机、无机和共晶化合物等3 种。有机PCM 的熔点通常为0～200 ℃,密度较低。部分有机PCM 具有化学性质稳定、熔化均匀等特性,常用于热管理系统中,如石蜡和盐水化合物,适用于锂离子电池冷却系统。无机PCM 不易燃,但易再凝固,导致相变特性改变。共晶化合物PCM 在使用时,可以调节化合物的比例,以用于指定场合。为了说明PCM 在电池热管理系统中的使用优势,该书将PCM 集成到已有的液体冷却热管理系统上。管壳式换热器的成本较低,制造简单,热量损失较少,因此,利用管壳式换热器充当潜热热能存储系统,并将PCM 安装在冷却循环中,改进原有热管理系统。此时,冷却液在管内流动,换热器储罐的外表面处于绝热的状态,换热效率大大提高。

3 电动汽车电池建模与测试

为了更深入地了解电动汽车电池的电化学性能,该书建立了电池模型,并通过仿真实例,验证模型的正确性。基于壁面边界条件,考虑到体积产热率、初始温度、电芯特性等因素,建立单只锂离子电池的电芯模型;利用曲线拟合方法,比较PCM 的归一化比热容,选择最适合的PCM;此外,泡沫材料、冷却板也在电池中扮演着重要的角色,通常选择聚氨酯泡沫作为电芯隔离器,冷却板则以铝制为主。确定了材料的种类和性质后,以偏微分方程为基础,推导出系统参数表达式,以实现系统各个部件之间的交互。为了更加直观地观察电池散热过程,该书搭建了实际的电芯模组。首先,将电芯进行仪表化,以实时显示温度,具体步骤是将热电偶附在电池的表面,并将冷却板两端连接到热电偶和其他表面上,辅以数据采集软件,采集电池信息。当电芯被仪表化后,根据熔化温度选择孔隙度恰当的泡沫材料,放置于电芯周围以吸收热量;其次,将换热器进行仪表化,即将热电偶放置在热交换器的铜管中,以调节冷却液温度;最后,使用不同的正十八烷组合材料作为换热器壳体,以提高导热系数。准备好各个组件后,开始搭建BMS 测试平台,并在车辆上进行测试。选择16 kW·h 锂离子电池HEV,电池冷却回路选择DEX-Cool(水与乙二醇的混合物),电芯表面覆盖有不同厚度的PCM,数据采集系统采用IPETRONIK,硬件选用M 系列,热电偶选用82M-THERMO k 型,采用8 通道电压电流传感器,并在车内安装5 个电磁发射器以记录系统流量。 PCM 的厚度分别设为3 mm、6 mm、9 mm 和12 mm。运行一段时间后,发现,PCM 越厚,电芯的平均温度越低,温升速率越慢,能够防止短时间内出现温度过高的现象。当PCM 的厚度增加时,电芯内最高温度和最低温度之间的差值相应减小。

4 电动汽车热管理系统热力学建模与测试

电动汽车热管理系统要能处理明显的热负荷变化,调节乘员舱的温度,并使车辆的各个部件在适宜的温度下安全运行。热管理系统一般由压缩机、热交换器、热膨胀阀、电池和水泵等部件组成。该书通过设置不同参数和约束方法,评价主要的零部件,并建立了简化的热管理系统。该系统由制冷剂回路(调节乘员舱温度)和电池冷却回路(控制电池温度)组成。两个回路用冷水机连接,以便进行热交换。当利用制冷剂回路调节乘员舱的温度时,要启动压缩机,此时能量消耗较大,因此,利用冷水机进行热交换可提高系统效率。在此基础上,该书建立了液冷热管理系统模型,研究系统对电池性能的影响。模型设置为:环境温度35 ℃,气压101 kPa,乘员舱温度20 ℃,蒸发和冷凝温度分别为5 ℃和55 ℃,冷却物质为R134a 制冷剂(用于制冷循环)、水/乙二醇混合物(按质量比1 ∶1混合,用于电池冷却回路)、空气(用于蒸发器和冷凝器换热),冷却液的工作温度是19 ～25 ℃,电池产热功率为0.35 kW。通过分析,计算各零部件的效率及损失率,发现:热交换器的效率最低,仅21%;蒸发器和冷水机的效率最高,均大于80%。此外,还研究了丙烷、丁烷、四氟丙烯和二甲醚等多种制冷剂,发现使用二甲醚可获得最高的能量,但二甲醚易燃烧,会降低系统的整体效率;使用丙烷可实现最低的压缩比,减少系统的泄漏量。

5 热管理系统的评估及优化方法

热力学分析可提高热管理系统的效率,而经济性分析方法则能实现系统的优化设计,降低成本。该书考虑了零部件的成本、使用寿命、利用率和贡献值等因素,计算出热管理系统的成本,最后用损失成本率和投资成本率来衡量系统的经济性。为了获得更高的系统效率,通常要对热管理系统进行改进,过程中可能会出现自然资源消耗量增加、污染物排放等问题,因此,对热管理系统的环境分析同样重要,最常用的指标是生命周期评价,包括燃料的供应周期及零部件的生命周期。以电动汽车电池组为例,进行生命周期评价时,要使用定量数据,从原材料的获取到电池组的生产、使用、处置等,进行全面评价,以确定对环境的影响。为了提高热管理系统的效率和质量,降低成本和环境影响,应选择恰当的方法优化目标函数。在热管理系统中,效率、环境影响、总成本率可作为目标函数,通过调节压缩机效率、冷凝器饱和温度等参数,利用遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等,实现目标函数的优化。为验证上述方法的可行性,该书利用锂离子电池包和热管理系统进行实验,设置影响成本和环境的参数,用遗传算法优化目标函数。结果表明:经过优化后,系统成本降低了4.8%,环境影响率降低了3.9%。