电动汽车锂离子蓄电池包热管理系统中相变材料的应用研究木

A版电动汽车锂离子蓄电池包热管理系统中相变材料的应用研究木沈云飞程俊伟王健同济大学新能源工程中心，上海201804【摘要】动力蓄电池是电动汽车的动力来源，其热管理系统对其工作性能至关重要。相变材料由于有很大潜热储存能力故在蓄电池热管理系统中有不错的应用前景。叙述了现今国内外学者对锂离子蓄电池包热管理系统中相变材料的应用研究进展。【ABSTRACT】BATTERYPACKAGEISTHEENERGYSOURCEOFEVS，ANDTHETHERMALMANAGESYSTEMISESSENDALTOTHEPERFORMANCEOFTHEBATTERYTHEAUTHORSUMMARIZESTHEDEVELOPMENTOFRESEARCHONAPPLICATIONOFPCMONTHERMALMANAGEMENTSYSTEM【关键词】相变材料锂离子电池热管理系统电动汽车DOI103969JISSN10074554201111010引言在环境污染ET益严重、能源消耗日益加剧的今天，纯电动汽车、燃料电池汽车、混合动力电动汽车等的社会地位日益突出。而在这些电动汽车中，动力蓄电池作为动力来源，其性能直接影响电动汽车的性能、寿命、耐久性。另外，动力蓄电池包的成本也直接影响电动汽车的成本。而在影响蓄电池包性能的指标之中，温度至关重要。现行电动汽车上用的蓄电池主要是镍氢电池和锂离子电池，无论是哪一种，都有其最佳工作温度范围。超过最佳工作温度上限不仅会影响蓄电池性能，还会严重影响动力蓄电池的寿命，严重时还有可能造成电池爆炸锂离子电池。相反，当工作温度低于最佳范围下限特别是0时，电池的电压和电量都会下降。这两种情况都会使电池性能收稿EL期20110902本文为国家重点基础研究发展计划973计划基金项目。上海汽车201111和寿命受到影响，进而使电动汽车的成本提高和可靠性下降。所以，使动力蓄电池模块工作在最佳工作温度范围内是至关重要的。这就需要一个有效的电池包热管理系统。对电池包热管理的要求就是合理设计电池包结构，选择合适的热管理方式，合理设计热管理策略，在保证电池包内各个单电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性。图1描述了蓄电池功率及相应采用的热管理方式E2。总的来说，现今电动汽车由于其安装及维护方便性和使用的安全性，空气还是作为主要的冷却介质。而液体冷却和相变材料作为冷却介质，因为其热管理均匀性好，系统质量轻等优点，也不失为未来电动汽车热管理介质的发展方向。齐晓霞等已对蓄电池热管理各种方法作了依次介3IJ_I嘏件JI强制对流R空气冷却，空气L自然对流IIL电池工作功率KW图1电池功率及相应的冷却方式绍本文主要论述现今研究热点相变材料PCM在电动汽车用锂离子蓄电池包热管理中的应用及研究进展。1电动汽车用锂离子电池的产热机理锂离子电池在其高温安全性能保证的前提下，其比能量和比功率都优于镍氢电池，环境效应也比铅酸蓄电池友好，其中部分锂离子电池循环寿命也优于镍氢电池，自放电率也低，故其现在是车用蓄电池技术研究的主流J。现行技术相对成熟且已市场化的车用锂离子电池主要是锰酸锂电池和磷酸锂电池。日韩系一般选用锰酸铁锂或三元材料，其优点是倍率性能好，制备比较容易，成本较低。缺点是由于锰的溶解，导致高温性能和循环性能不佳，并且锰酸锂电池在强烈碰撞下会爆炸。北美系集中在磷酸铁锂。磷酸铁锂最突出的优点是安全性好，耐高温，节约了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题解决，并且具有长寿命的特点，循环次数达到2000次以上，但缺点也有，比如电导率低，制备复杂等。锂离子电池在各种工况下产热性能是动力蓄电池包热管理系统设计最主要的参考指标。国内外学者在对其进行各种研究。首先，建立一个热模型来估计电池的内部温度能有效提高电池热管理系统模型设计的精确性J。通常把单电池的热力学模型与电池内部的电化学模型一起研究来仿真各种不同工况、结构和散热率的温度曲线。XIONGWEIZHANG_O对另一种圆柱形锂离子电4池工作时产热来源进行了详细分析，并深入研究了产热的主要影响因素，以及造成电池放电时温升的影响参数等。通过测量电池中心与表面温度差的实验测量与仿真结果比对以证明其搭建模型的准确性。然后采用建立数学模型和实验验证的方法，得出许多研究结果。1电池工作时，放点倍率越大，则电池温升越大，且放电结束时电池温升的大小与放电倍率近似呈线性关系；2电池产热主要来源于3个途径欧姆热、电化学反应热以及主动极化产热，以LC倍率放电情况为例，欧姆热是最主要的产热来源，电化学反应热次之，主动极化热对产热贡献最小；3欧姆热在电池开始放电后迅速升至最大值，与电池温升趋势相同，且产热主要来源于电池内部液体电解质的阻抗热；4还给出了阴阳极电化学反应产热比较曲线和主动极化产热比较曲线，并发现以上3种产热来源都同放电倍率正向变化；5隔膜、电极厚度的增加会使产热量随之增加，其中电极的影响稍大些。在快速冲放电时，蓄电池包会产生大量的热，比如当电动汽车快速启动消耗电能或者突然制动回收能量时，电流强度会超过电池正常工作的额定值，此时，电池温度也会超过允许范围。2相变材料在电动汽车上应用的研究在电动汽车用蓄电池包热管理系统中，传统的锂离子电池散热方式，如强制空气冷却和液体冷却方式，虽然能有效达到热管理要求，但是其缺点也显而易见，比如，因为风机、散热器、泵、冷却管路以及其他附件的使用不可避免地增加了系统的重量，安装以及匹配的复杂性，另外也提高了整个热管理系统的成本。而相变材料在热管理中的应用会降低系统成本，简化系统，而且也可以简化对系统的控制。国内外学者对相变材料在蓄热装置中应用的研究很早就开始了，而随着电动汽车的兴起以及就其热管理提出的要求，学者也从本上海汽车201111MOO1OL，蝌R缸景虫世纪初开始了PCM在蓄电池包热管理中的应用研究。SIDDIQUEAKHATEEB等首先用两个分别包含有18个367V，20AH的18650锂离子电池的电池包安装在要求额定电流2024A，额定电压1012V的二轮电动脚踏车上，并要求能满足在起步时保持55A的电流300MS，每列3个电池能以24C放电300ILLS。其电池模块如图2所示。假定环境温度恒定在30，作者首先不在包内电池之间添加任何材料，仅依靠空气自然对流换热空气换热系数为5WMK带走电池包工作产生的热量，结果发现模型中心的编号3处的电池温升将近45，而暴露在强制对流空气中的编号1处的电池温升为35，温差有L0，无论是对温升的控制还是均匀性的要求，电池包都需要冷却；接着作者在包内电池之间填充固体石蜡PCM，熔化温度为4044，比热容177KJKG，固液态导热系数分别为021WMK、029WINK，结果发现PCM确实能一定程度上降低温升，但是温度均匀性却非常不好；然后，在发泡铝导热系数200WMK左右中填入PCM再应用于电池包，由于能有效提高石蜡的导热系数，从而有效提高了温度均匀性；然后又在此基础上加入了铝翅片，使整个电池包的状态稳定性非常好，使PCM只有在电池放电后期一段很短的时间内才是融化状态，其他绝大多数时间都成固态，这样其性能会大大提升。图2电动脚踏车的电池包模型含相变材料SIDDIQUEAKHATEEB等还比较了1不加介质；2仅用石蜡；3仅用发泡铝；4结合发泡铝和PCM使用4种情况，由此证明把石蜡与发泡铝的结合使用能有效改善PCM低导热能力的问上海汽车201111题。SAIDA1HALLAJ等除了用实验证明PCM在常温下应用于热管理系统的可能性之外，还通过实验验证环境温度很高时，PCM同样具有出色的蓄热能力，且热导性能也比固态时优异。RKIZILEL等1。把PCM与发泡石墨结合起来复合材料热力学性质如表1所示，不仅实验验证了复合材料对电池包内温度均匀性和温度控制有很好的效果，还发现1由于PCM有良好的散热能力，所以PCM的使用会减小电池的工作电压，而且能有效减少其充放电过程中的电量损失；2PCM的使用能使电池在高倍率放电功率性电池时放电效率仍保持很高，即减小能量用于产热，在高温环境45C【时亦然。这也就证明了PCM应用于电动汽车在极端环境中正常运行的可能性。表1PCM发泡石墨复合材料的热力学性质导热系数潜热比热复合材料密度相变温度WMKKJKGKJKGKGM1661851987894245RAMISABBAH等用不同放电倍率、不同起始和环境温度比较了PLUGIN混合电动汽车用锂离子电池包中应用主动式强制风冷系统和PCM被动系统的散热能力。结果发现常温下采用PCM与发泡石墨结合的被动系统在保持电池包温度均匀性方面性能与主动方式效果相当，但是在高温、高倍率放电的工况下，效果明显优于后者，而且主动方式需要很大的风机功率来优化均匀性。RIZAKIZILEL等研究比较了风冷和PCM冷却这两种方式锂离子电池包内单电池热失控对周围其他单电池的热影响以及改变包内单电池之间的距离对电池间传热的影响。XDUAN等用一个电热棒做热源代替电池，建立了两个不同的热管理系统，一个是把电热棒放在一个装满PCM的容器里，然后放人另一个可控温度一40一十150OC的容器，另外一个是用PCM夹套包裹，如图3所示，实验给予电热棒多个工作电压，并控制温度，两个系统都能使这个电热棒工作在一个稳定合理的温度范围内。5情况1情况2图3电池模拟热管理模型PCM夹套电热源RAMISABBAH等还提出了将PCM被动系统配合风机一起对电池包进行热管理。SAIDA1HALLAJ等也基于将PCM与空气冷却结合设计了如图4的电池模块模型，其对电池热管理效果也很好。相图4风冷与PCM结合的电池热管理模型3结论锂离子电池特别是LIFEPO电池因为其高功率和长寿命又不失安全性而在电动汽车上应用可以期待其有很好的前景，PCM结合发泡材料能有效改善PCM导热系数低的问题，应用于电动汽车用锂离子蓄电池包热管理能有效地使锂离子电池工作在适宜温度且电池间均匀性维持得很好。但是研究还在继续，需要的努力还有很多，今后研究方向有1用PCM材料对电池包进行热管理时针对寒冷环境下对电池保温在最佳温度下限以上做一6些研究；2结构上对PCM发泡材料优化，使混合物性能最佳；3更好的匹配电池产热和PCM散热行为；4将蓄电池包安装于整车上做实车测试，道路试验等实际应用研究。相信PCM必定会在不久的未来在电动汽车用锂离子蓄电池包热管理中占有一席之地。参考文献1AAPESARAN，SBUTCH，MKEYSERANAPPROACHFORDESIGNINGTHERMALMANAGEMENTSYSTEMSFORELECTRICANDHYBRIDVEHICLEBATTERYPACKSJNREL，1999，12OTMARBITSCHE，GUENTERGUTMANNSYSTEMSFORHYBRIDCARSJJOUMALOFPOWERSOURCES，2004，1278153齐晓霞，王文，邵力清混合动力电动车用电源热管理的技术现状J电源技术，2005，2931781814许超混合动力客车电池包散热系统研究D上海上海交通大学机械与动力工程学院2010，15CHRISTOPHEFORGEZ，DINHVINHDO，GUYFRIEDRICH，MATHIEUMORCRETTE，CHARLESDELACOURTTHERMALMODELINGOFACYLINDRICALLIFEPO4GRAPHITELITHIUMIONBATTERYJJOURNALOFPOWERSOURCES，2010，195296129686XIONGWENWANGTHERMALANALYSISOFACYLINDRICALLITHIUMIONBATTERYJELECTROCHIMICAACTA，20107SIDDIQUEAKHATEEB，MOHAMMEDMFARID，JROBERTSELMAN，SAIDA1HALLAJDESIGNANDSIMULATIONOFALITHIUMIONBATTERYWITHAPHASECHANGEMATERIALTHERMALMANAGEMENTSYSTEMFORALLELECTRICSCOOTERJJOURNALOFPOWERSOURCES，2004，1282923078SIDDIQUEAKHATEEB，SHABABAMIRNDDIN，MOHAMMEDFARID，JROBERTSELMAN，SAIDAIHALLAJTHERMALMANAGEMENTOFLIIONBATTERYWITHPHASECHANGEMATERIALFORELECTRICSCOOTERSEXPERIMENTALVALIDATIONJJOURNALOFPOWERSOURCES，2005，1423453539SAIDA1一HALLAJ，JRSELMANTHERMALMODELINGOFSECONDARYLITHIUMBATTERIESFORELECTRICVEHICLEH