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电动汽车

发布时间:
2018/07/02 09:47
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【摘要】:
电池包作为电动汽车上装载有电池组的主要储能元件,是电动汽车的关键部件,直接影响到电动汽车的性能。锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和长寿命等优点,目前在电动汽车电池包中得到良好应用。但锂离子动力电池的性能对温度变化较敏感,特别是车辆上运用的大容量、高功率锂离子电池。车辆上的装载空间有限,车辆所需电池数目较大,电池均为紧密排列连接。当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时,电
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  电池包作为电动汽车上装载有电池组的主要储能元件,是电动汽车的关键部件,直接影响到电动汽车的性能。锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和长寿命等优点,目前在电动汽车电池包中得到良好应用。但锂离子动力电池的性能对温度变化较敏感,特别是车辆上运用的大容量、高功率锂离子电池。车辆上的装载空间有限, 车辆所需电池数目较大,电池均为紧密排列连接。当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时,电池会以不同倍率放电,以不同生热速率产生大量热量,加上时间累积以及空间影响会产生不均?#28909;?#37327;聚集,从而导致电池组运行环境温度复杂多变。由于发热电池体的密集摆放,中间区域必然热量聚集较多,边?#30331;?#22495;较少,增加了电池包中各单体之间的温度不均衡,加剧各电池模块、单体内阻和容量不一致性。如果长时间积累,会造成部分电池过充电和过放电,进而影响电池的寿命与性能,并造成安全隐患。如果电动汽车电池组在高温下得不到及时通风散热,将会导致电池组?#20302;?#28201;度过高或温度分布不均匀,最终将降低电池充放电循环效率,影响电池的功率和能量发挥,严重时还将导致热失控,影响电池的安全性与可靠性;再者在低温下,电池内部的电化学反应由于受温度影响也不能够正常运行,需要对电池包进行加热。因此为了使电池包发挥最佳性能和寿命,需要优化电池包的结构,对它进行热管理,增加散热加热设施,控制电池运行的温度环境。

 

  1.电池包加热与散热?#20302;常?#20027;动?#20302;?#19982;被动?#20302;?/strong>

  采用主动方?#20132;?#26159;被动方式加热和散热,效率会有很大差别。被动?#20302;?#25152;要求的成本比较低,采取的设施也较简单。主动?#20302;?#32467;构相对复杂一些,且需要更大的附加功率,但它的热管理更加有效。考虑成本、质量、空间的布置,早期在温和气候条件?#29575;?#29992;的车辆都是没有使用加热或冷却单元并且只依靠空气来散热电池(如图 1)。目前生产的一些混合电动汽车也是使用环境空气来被动冷却 / 加热电池包。尽管空气是经过汽车空调(交流)或供暖?#20302;?#20919;却和加热的,但它?#21248;?#34987;认为是一?#30452;?#21160;?#20302;常?#22914;图 2)。运用这?#30452;?#21160;?#20302;常?#29615;境空气必须在一定温度范围(10℃~35℃) 中才能正常进行热管理,在环境极冷或极热条件下运行电池包可能会产生更大的不均匀。相关实验也证明被动?#20302;?#20013;,由于引入环境空气的温度不一致性,冷却加热电池包会导致电池包更大的不均匀性。

  下面为空冷和液冷主被动?#20302;?#31034;意图

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图1:被动加热——外部空气流通 图2:被动加热和冷却——内部空气流动
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图3:主动加热和冷却——外部和内部空气流通 图4:被动冷却——液体循环
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图5:主动冷却——液体循环  

 

  2.散热?#20302;?/strong>

  根据传热学理论,固体与气体,固体与液体接 触产生传热现象。气体的对流换热系数?#23545;?#27809;有 液体的对流换热系数大,液体和固体接触对流换 热能力更强。传热系数越大所交换的热量越多,换 热效果就越明显,因此要选择合适的传热介质。各种传热现象的传热系数范围如表1所示。

 

表1 表面传热系数的?#35805;?#20256;热

对流换热问题的类型  h/[w /(m2 k)]
自然对流换热:气体  2-25
液体  50-1000
?#31185;?#23545;流换热:气体  25-250
液体  50-25000
相变对流换热:沸腾  2000-50000
凝结  2000-100000

 

  使用液体作为传热介质,需要考虑导电性, 安全性,还有密封性,以及以后的维修方便性,还要考虑到电池包整体的重量。相变材料(例如液体石蜡)的传热蓄热能力最强,?#20197;?#36798;到相变温度时可以大量吸热或放热而不升温降温。通过选用合适的相变材料能够使电池单体有效地达到热平衡,很好地控制电池温度上下限,避免产生温度过高过低现象。但是考虑到材料的研发、制造成本等问题,目前最有效且最常用的还是采用空气作为散热介质。

  目前多采用的空冷主要有并行和串行两种通风方式,如图 7~ 图 8 所示。这就要求在电池包结构上设计相应导风口,尽量减小空气流动阻力,保证气流的均匀性。

 

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图7 单行通风

 

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图8 并行通风

 

  串行情况下?#35805;?#26159;使空气从电池包一侧流往另外一侧,从而达到带走热量的效果。因此气流会将先流过的地方的热量带到后流过的地方,从而导致两处温度不一致且温差较大。而并行情况下模块间空气都是直立上升气流。这样能够更均匀地分配气流,从而保证电池包中各处散热一致。

  在设计电池包散热加热?#20302;?#26102;,应该综合考虑各因素。可以看出:采用气体(空气) 作为传热介质的主要优点有?#33322;?#26500;简单,质量轻,有害气体产生时能有效通 风,成本较低;不足之处在于:与电池壁面之间换 热系数低,冷却速度慢,效率低。目前应用较多。 采用液体作为传热介质的主要优点有: 与电池壁面之间换热系数高, 冷却、加热速度快;不足之处在于?#22909;?#23553;性要求高,重量相?#36234;?#22823;,维修和保养复杂,需要水套、换热器等部件, 结构相对复杂。采用相变材料的主要优点有:与电池壁面之间换热系数高,冷却、加热速度快,效率高,还能一定程度上控制温度上下限;不足之处在于:研发制造成本高。

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