插电式燃料电池车锂电池热管理系统设计

1、第40卷第4期2012年4月同济大学学报(自然科学版J O U R N A L O F T O N G J I U N I V E R S I T Y (N A T U R A L S C I E N C E V o l .40N o .4A pr .2012文章编号:0253-374X (201204-0589-07D O I :10.3969/j;上海市科委“登山行动计划”(09d z 2201400;上海市重点学科建设基金(B 03第一作者:戴海峰(1981,男,讲师,工学博士,主要研究方向为新能源汽车车载电源系统.E -m a i l :t o n g j i d a i t o n

2、g ji .e d u .c n 插电式燃料电池车锂电池热管理系统设计戴海峰1,党丰玲2,朱维3,魏学哲1(1.同济大学汽车学院,上海201804;2.上海燃料电池动力系统有限公司,上海201804;3.上海恒动汽车电源有限公司,上海201804摘要:采用强制风冷的方案,对世博燃料电池插电式混合动力微型车40A ·h 磷酸铁锂动力电池系统进行了热管理的结构设计和性能研究.详细分析了动力蓄电池的散热需求,在此基础上,结合整车布置,完成了热管理系统的结构设计,并对设计结果进行了数值模拟.将设计方案制作成实体样品,分别在不同的环境温度下,以一定的电流工况对电池加载,测试电池系统的温升情况.

3、最后,对世博运营过程中具有代表性的两日测试数据进行了分析.仿真计算结果、测试试验结果以及实车数据分析结果均表明,设计方案在电池系统温升控制和电池单体温度一致性控制方面都达到了预期的需求.关键词:插电式混合动力;磷酸铁锂电池系统;热管理;数值模拟;测试评价中图分类号:TM 912.1文献标识码:AT h e r m a l M a n a g e m e n t S y s t e m D e s i g n f o r L i -i o n B a t t e r i e s U s e d i n P l u g-i n F u e l C e l l V e h i c l e s D A

4、 I H a i f e n g 1,D A N G F e n g l i n g 2,Z HU W e i 3,WE I X u e z h e 1(1.C o l l e g e o f A u t o m o t i v e S t u d i e s ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n g h a i 201804,C h i n a ;2.S h a n g h a i F u e l C e l l V e h i c l e P o w e r -t r a i n C o .L t d .,S h a n g h a i 201

5、804,C h i n a ;3.S h a n g h a i e v B a t t e r y C o .L t d .,S h a n g h a i 201804,C h i n aA b s t r a c t :T h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e s t r u c t u r a l d e s i g n a n d p e r f o r m a n c e s t u d y o f t h e t h e r m a l m a n a g e m e n t o f 40A h L i F e P O 4b a t t

6、e r y s y s t e m s f o r E x p o p l u g -i n f u e l c e l l v e h i c l e s b y u s i n g t h e f o r c e d a i r c o o l i n g .B a s e d o n a d e t a i l e d a n a l y s i s o n t h e t h e r m a l r e q u i r e m e n t s o f b a t t e r y ,a n d c o n s i d e r a t i o n o f t h e l a y o u t

7、 o f t h e v e h i c l e ,t h i s p a p e r p r e s e n t s a s t r u c t u r a l d e s i g n a n d a s i m u l a t i o n o f t h e t h e r m a l m a n a g e m e n t s y s t e m.T h e n t h e t e s t s o n t h e t e m p e r a t u r e r i s e o f t h e b a t t e r y s y s t e m s a m p l e b a s e d

8、o n t h e s t r u c t u r a l d e s i gn w e r e d o n e u n d e r c e r t a i n c u r r e n t c y c l e i n d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s .F i n a l l y ,a n a n a l y s i s w a s m a d e o f a t w o -d a y t e s t i n g d a t a ,t he m o s t t y p i c a l of E x p o .S i m u l a t i o

9、n a n d e x p e r i m e n t r e s u l t s a n d r o a d d a t a a n a l y s i s i n d i c a t e t h a t t h e d e s ig n m e e t th e e x p e c t e d r e q ui r e m e n t s o n t e m p e r a t u r e -r i s i n g c o n t r o l o f b a t t e r y s y s t e m a n d t h e u n i f o r m i t yo f c e l l s

10、 t e m p e r a t u r e .K e y w o r d s :f u e l c e l l p l u g -i n ;L i F e P O 4b a t t e r y ;t h e r m a l m a n a g e m e n t ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;t e s t i n g a n d e v a l u a t i o n 在2010年上海世博会中,有超过1000辆新能源汽车服务于交通以实现“园区零排放,周围低排放”的目标.其中,300辆车为超级电容车和纯电动车,200辆为燃料电池车,其余500

11、辆则为包括混合动力车在内的低碳排放车.动力电池作为电动汽车的主要储能部分,是电动汽车的关键部件,直接影响到电动汽车的性能.电池组热管理系统的研究与开发对现代电动汽车是必需的,原因在于:电动汽车电池组会长期工作在比较恶劣的热环境中,这将缩短电池的使用寿命,降低电池的各种性能;电池箱内温度场长时间的不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡;电池组的热监控和热管理对整车的安全运行意义重大.为提高电动汽车电池组的性能,一方面电池生产商努力开发满足电动汽车使用要求的电池,另一方面电池的使用者也应该通过优化电池的使用环境保证电池的潜力得到最大程度的发挥.电池的热管理系统是从电池使用者的角度出发,用来确

12、保电池组工作在适宜温度范围的整套系统.实际上,电池热管理应该包括电池散热(在高温情况下和电池加热(在低温启动情况下,目前的大部分热管理方案集中在对电池散热的研究中.考虑到世博车辆运行在5月到10月,在这段时间内环境同济大学学报(自然科学版第40卷温度相对较高,因此,本文研究也集中在对电池散热的方案.电池热管理系统按照采用的传热介质可以分为:采用空气为介质的热管理系统,采用液体介质的热管理系统和采用相变材料P C M(p h a s ec h a n g em a t e r i a l的热管理系统1-3.空气冷却一般指通过风扇从外界环境中吸入(吹入空气,空气流过电池表面带走热量,达到散热的目的

13、.这种方案使用方便,安装容易,维护成本低,但散热能力相对较弱.一般采用液体作为介质的冷却系统比较适用于发热量很多的电池组,且系统结构比较紧凑,对于电池系统的整体降温以及实现单体电池间的温度均匀性都有利;但其整体结构复杂,维护和保养的费用较高,难度较大.相变材料具有在一定的温度范围内改变物理状态的能力,在这个物相改变过程中,相变材料能够吸收或者释放大量的潜热.相变储能材料在电池热管理系统中具有降低整个电池系统体积,减小运动部件,不需要模块间的冷却通道,不需要耗费电池额外能量等优势;但是现有较合适的相变材料还存在导热性差,储热速率低等缺点,进而降低整体功能.在以后随着P C M新材料的发现或是新技

14、术的发展,相变材料在电池组热管理方面将得到很好的应用4.本文从分析电池的热特性入手,设计并评估了世博插电式燃料电池混合动力车所使用的电池包热管理系统,所使用的单体电池为某公司产的40A·hL i F e P O4电池.1设计需求和目标本研究中的电池单体及模块数模如图1所示,基本性能参数如表1.电池模块由10节电池单体串联而成,电池单体之间有塑料隔板(图1b,电池包由2个电池模块串联组成,整车由2个电池包串联而成.表1电池基本参数T a b.1P r i m a r yp a r a m e t e r so ft h eb a t t e r yc e l l基本参数数值尺寸/(m

15、m×m m×m m32×100×195额定电压/V3.2额定容量/(A·h40内阻/m2工作温度/充电045放电-2045贮藏温度/-1035图1电池单体与模块数模F i g.13-Dd a t ao fb a t t e r yc e l la n dm o d u l e1.1热负荷计算电池单体的发热量计算可按下式计算5-6:Q=I2R-I T(d E/d T(1式中:Q为电池的发热量;I为电池工作电流;R为电池内阻;T为环境温度;E为电池的电动势.根据车的实际使用情况,在分析中,设定电池的工作条件为I=40A,T=298.15K(即为25

16、, d E/d T由电池特性决定,此处d E/d T=-0.0005.另外,考虑到夏季地面温度较高,由此带来的地面辐射强度也很强烈,就会造成电池包渗入热有所增加.本文中把地表辐射能转化为相当的温度形式和电池包外部的大气温度叠加在一起,形成一个综合温度值t t,其中地表辐射能造成的温升为t,则有t=I/(+k式中:为地面表面灰度,这里取=0.8;I为辐射强度,取值I=500W·m27;为包外空气与电池包外表面的传热系数,由于车速变化范围较大,电池包外表面结构复杂,表面的对流传热系数难以精确计算,因此采用近似经验公式计算,=1.163(4+ 12槡v;车速v=30k m·h-1

17、,因此得出=45.1W ·(m2·K-1;k为电池包外壳导热系数,考虑到需要减少渗入热量,电池包的外壳设计外层用聚氨酯0 9 5第4期戴海峰,等:插电式燃料电池车锂电池热管理系统设计泡沫,其导热系数为2=0.023W ·(m ·K -1;设计厚度为2=25m m ;电池包外壳设计内层用钢板,导热系数为1=49.8W ·(m ·K -1;设计厚度为1=0.8m m ;因此,电池包外壳导热系数为k =1/(1/1+2/2=0.92W ·(m 2·K -1,因此得出t =8.69.若电池包尺寸取为40c m×3

18、0c m×20c m ,则外界向电池包内部的渗入热约为Q 1=k A t t 本研究中设计的热管理系统需要同时保证两项 温度控制指标:根据磷酸电池自身的高温特性,在测试工况和实车运行中,保证电池表面的最高温升不超过6;保持电池温度的均匀性,即保证电池单体之间的温差不超过3.5.对于目标,这里需要说明一下.图2所示为7节电池单体在40A 放电过程中的温度变化情况(电池放置在环境舱中,环境舱设定温度为24.可见,不同电池单体自身发热量相差并不大,因此,一般只要保证电池单体与空气的换热均匀一致即可满足.并且由于热容较大,电池温升较慢,这一定程度上降低了热管理系统的负荷8-11. 图2自然对

19、流下单体电池间的温度差异F i g .2T e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e s a m o n g c e l l s u nde r t h e n a t u r a l c o n v e c t i o nc o nd i t i o n 2系统方案2.1冷却介质选择从前述的发热量计算中可以看出,插电式燃料电池车的电池发热量不大,加之40A ·h 电池自身热容较大,因此,热负荷相对较小,本研究中采用空气作为冷却介质,结合整车布置方案,在前期工作和初步仿真计算的基础上,图3和图4为本文设计的结构方案,图3是风道模型,图4是整个电池

20、包的3维数模.从图3中可以看出,冷却风扇安装在出风口处,通过吸风,将冷却空气吸入电池包内部.冷却空气首先进入一个渐变的内部风道1(位于电池包内部,渐变角4°,然后经由单体电池格栅(图1b 流经每个单体电池表面,从而将电池产生的热量带走,以达到冷却电池的效果.空气流经电池表面之后,通过渐变的内部风道2(位于电池包内部,渐变角4°,从出风口排出.利用这种方案设计达到上述两个控制目标.3仿真评估3.1建模与仿真环境利用C a t i a 软件建立电池包的数模,A n s y s I c e m C F D 软件对数模进行前处理,画3维计算网格.然后导入F l u e n t 软件

21、中,选择求解器,边界条件.进行模拟计算,得到其温度场、速度场和压力场的相关数195同济大学学报(自然科学版第40卷据.本模拟选用的求解器为k,耦合能量方程进行稳态计算12-13.3.2边界条件设定模拟的边界条件为:进风口为外界自然大气压力入口,出风口为抽风冷却风扇,本研究中风扇的额定功率为16.8W,共使用了2个风扇并排放置,风扇的特性曲线如图5所示,以多项式拟合该特性曲线,如下式:p=-0.1003v4+1.978v3-9.9455v2-36.077v+535.59(3式中:p为压力,P a;v为空气流速,m·s-1 .图5风扇特性曲线F i g.5C h a r a c t e

22、r i s t i c so ft h ec o o l i n gf a n3.3网格画分计算前处理时,对电池包划分的网格如图6所示.本研究中,网格类型为四面体(最小边长为2 m m,划分的网格数约为36万 .图6电池包网格划分F i g.6M e s hg e n e r a t i o no ft h eb a t t e r yp a c k3.4计算结果及分析计算出的压力场分布如图7所示.压力值从进气侧开始,取平均值计算.取10个点,分布如图7中圆圈所示,从进气侧开始,依次为点1,2,10,排气侧与之相同,求两侧的压力差,压力差的分布如图8所示.从图8可以看出,各比较处的压差分布比较

23、一致,但2,5,6这3个部分依然超出平均值约15%.一方面这是由于计算精度导致,另一方面这可能确实是本系统设计的一个缺陷,然而这可以通过结构调整进行改进,并且实际测试结果表明,这种压力差的分布影响可以接受 .图7电池包内部压力场分布F i g.7I n n e rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h eb a t t e r yp a c k需要注意的是,图8中的纵坐标单位是P a,这是因为该计算所得压力差是相对标准大气压的值,即是减去标准大气压后得到的结果 .图8电池包内部压力差分布F i g.8D i s t r i b u t i o

24、no fi n n e rp r e s s u r ed i f f e r e n c eo ft h eb a t t e r yp a c k如模型所标记的,速度值从进气侧开始,取平均值计算.取12个点,分布如图9中圆圈所示,从进气侧开始,依次为点1,2,12.从图9中可以看出,在整个电池包内部,流经各单体电池的空气流速比较均匀,也说明了电池内部单体电池间温度可以保持较好的一致性.2 9 5第4期戴海峰,等:插电式燃料电池车锂电池热管理系统设计 4试验验证4.1试验工况和条件在上述试验工况和设定条件下,电池包在25,33和41这3个设定的环境温度下温度的变化如图1315所示.由于比较注

25、重电池系统的高温问题,因此41的环境温度下的测试时间稍长,约为200m i n .需要注意的是,在这些实验结果图中,由于实验初始电池并未在环境温度下静置足够长的时间,尚未达到热平衡,因此,电池各单体的初始温度并不一致,由此造成的初始影响应该在后面的分析中去除.395 同 济 大 学 学 报（ 然 科 学 版） 自 第 卷 表面的温度变化比 较 明 显 时 可 以 看 出， 点 ， 同 测 这与前面的 ， 和 处的温度比其他测点处要高， 这些测点都位于出 风 口 一 侧， 是 这 仿真结果相对应 由于空气在经过入风口一侧的电池 后， 度 上 升， 温 导 致与 电 池 表 面 的 换 热 系 数

26、 降 低， 而 导 致 换 热 效 果 从 变 差 测 试 条 件 下， 池 包 内 部 各 单 体 的 温 升 在 在 电 电池进入热平衡状态 左右开始上升变慢， 同时还可以看出， 和 的测试条件下， 在 电池包内部的整 体 温 升 均 小 于 ， 电 池 单 体 间 各 因此在这两种测试条件下， 热管 温差也小于 理满足设计要求 的 测 试 条 件 下， 池 包 内 在 电 部的整体温升最大约为 ， 而单体间的温 差也 且略高于设计要求， 为 略大， 考虑到插电 式 燃 料 电 池 车 的 实 际 工 作 条 件， 电 流工况不如设计的测试电流工况剧 烈， 此， 池 包 因 电 内部的温升

27、以及各单体的温差均应小于 测 试 条 件 下 即 设 的值 实 际 使 用 中， 计 的 热 管 理 系 统 能 满 足 需求 实车运行数据分析 图 和图 为该插电式燃 料 电 池 车 在 世 博 园 区运 营 过 程 中 的 某 两 天 的 实 测 数 据 见 在 实 际 运 可 车 营的 过 程 中， 辆 的 电 流 工 况 不 如 测 试 实 验 中 设 定 的电流工况剧烈， 因此， 温升较测试实验结果要小 图 和图 分别是 年 月和 月份某日 的运 营 数 据， 所 以 选 择 这 两 日 的 数 据 是 基 于 以 下 之 因素： 第一次， 电池相对较新， 内阻 较 小， 放 电 效

28、 率 充 较高， 并且环 境 温 度 也 相 对 较 低； 二 次， 池 已 经 第 电 性能有一定的衰减， 且 环 境 温 度 相 而 使用了几个月， 对较 高 择 这 两 日 的 数 据 可 以 在 电 池 不 同 性 能 状 选 不同环境温度下考察热管理系统的性能 态、 图 所 示 的 运 营 中， 天 的 环 境 温 度 约 为 当 运 ， 营 过 程 中 电 池 包 内 部 的 单 体 最 高 和 最 低 温 度 如图 所示， 见 整 个 运 营 过 程 中 电 池 包 的 温 升 可 最大约为 ， 且 单 体 间 的 最 高 最 低 温 差 小 于 并 图 同样可 所示的运营当天环

29、境温度为 ， 见， 管 理 系 统 较 好 地 控 制 了 电 池 包 内 部 的 环 境 变 热 化 和图 中， 图 温度之所以每 变化是因 为电 池 包 内 实 际 安 装 的 温 度 传 感 器 精 度 仅 达 到 尽 在 ± 管 电 流 工 况 比 实 验 测 试 工 况 缓 和， 月份 的 测 试 数 据 中， 然 可 以 看 到 电 池 温 升 变 化 较 仍 大 这主要是由于电池老化导致的 池 老 化 一 方 面 电 随着电池的充 放 电 过 程， 池 电 由测试结果可见， 导致电池内阻变大， 另一方面导致充放电效率变低， 第期 戴海峰， 插电式燃料电池车锂电池热管理系

30、统设计 等： 方案依然可以基本满足使用需求 结论 （ ）合 理 设 计 电 池 系 统 的 流 场， 合 冷 却 风 扇 配 可 控制， 以 有 效 地 控 制 电 池 系 统 的 温 升 和 电 池 单 体 间的温度差异， 更好地发挥电池性能 （ ）设计的电池 系 统 在 测 试 工 况 以 及 实 车 运 行 过程中， 最高温升均 ， 池 单 体 之 间 的 最 大 温 电 电池系统 内 部 各 单 体 之 间， 度 最 高 点 靠 温 差 ， （ ， 近风道 出风道） 电池温度分布符合使用需求 （ ）随 着 电 池 的 老 化 以 及 环 境 温 度 的 升 高， 电 池热 管 理 系

31、统 的 负 荷 会 增 加， 电 池 系 统 处 于 某 些 当 热 极限 工 况 的 情 况 下， 管 理 系 统 可 能 难 以 控 制 电 池 系统的温升和温度一致性， 此时， 可以 通 过 增 大 风 扇 功率（ 改善温升 情 况 ） 改 善 电 池 包 的 流 场 设 计 （ 和 改 解 同 可 善温 度 场 分 布） 决， 时， 以 考 虑 从 车 内 引 入 空 调制冷风（ 或其他冷源来改善温升情况） 提 高 制 冷 来 的效果 参考文献： ： ： 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 电源技术， ， ： （ ） ， ， ， ， ： （ ） 付正阳， 成 涛， 全 世 动 汽 车 电