hev电池热管理系统的研究

hev电池热管理系统的研究

未来20或30年，混合动力车辆（hybridelarker，hvs）将一些传统的商用车替换为大型商用汽车，以实现大规模的营销。能量储存系统是hev最重要的部件。它的动力性和长度决定了整个车辆的成本和性能。随着技术的进步，hev电池从体积和质量上重新开始发展，体积和质量比高的串联电池更小。这为电池热管理系统的设计提出了更高的要求。hv电池的生成行为研究是基于热管理系统的设计基础，值得国内研究人员充分关注。1电池发热的原因对电池模块进行热管理系统设计,需估算或测量电池模块的热来源、产热速率、电池热容等有关参数,这些参数与电池的本质密切相关.1.1电池的反应ts电池放出热量取决于电池的化学、机械、电学本质和特征,特别是电化学反应的本质.以镍氢电池为例,其反应机理可概括为ΝiΟΟΗ+Η2Ο+e←→Νi(ΟΗ)2+ΟΗ-,(1)ΜΗ+ΟΗ-←→Μ+Η2Ο+e.(2)→∶放电过程,←∶充电过程在电池进行充电、放电过程中,可观察到放热和吸热过程.放热反应是在恒温恒压下进行的可逆过程,由式(3)确定.ΔG=ΔΗ-ΤΔS=ΔΗ-Τ[-δ(ΔG)/δΤ].(3)式(3)中,ΔG为Gibb’s自由能的变化量,相当于电池可以对外所做的最大电功;ΔH为电池反应过程中的焓变;T是热力学温度,ΔS是熵变.当电池分别进行充电、放电时,反应热效应的数值相同,符号相反.TΔS相当于电池反应中产生的热能,它可以用电池反应热Qr来表示:Qr=ΤΔS=Τ[-δ(ΔG)/δΤ],(4)ΔG=-nFEe,(5)Qr=nFΤ(δEe/δΤ),(6)式中,F是法拉弟常数,Ee是电池平衡电动势,电化学极化使电池实际电压偏离其平衡电动势.而由电池极化引起的能量损失用Qp来表示.电池反应除了按照反应方程式进行之外,还存在一些副反应,典型的副反应包括电解液分解及电池自放电.此外,由于任何电池都会不可避免地存在电阻,故电流通过时就会产生焦耳热Qj.因此,一个电池总的热量为如下几个方面的热量总和:Qt=Qr+Qp+Qs+Qj=nFΤ(δEe/δΤ)-nF(Ee-Ef)+Qs+Qj.(7)根据具体充电(放电)过程的不同,引起电池产热的主要因素也不同.例如,在电池正常充电时,式(7)中的Qr是主导因素;而在电池充电后期,由于电解液的分解,导致了副反应开始发生(副反应热为θs),当电池接近充满电而进行过充电时,主要发生的是电解液分解,这时Qs占主导地位.而焦耳热Qj则取决于电流和电阻,常用的充电方式是在恒定电流下进行的,此时Qj是一个特定值.然而,在启动和加速时,电流比较大,往往以5到10C的倍率进行放电.这对于HEV来说,相当于几十安培到上百安培的电流,这时候焦耳热Qj很大,成为了电池放热的主要来源.因此,在设计电池热管理系统时,应当充分关注起决定作用的产热因素.1.2在电池性能的理论分析中1.2.1电池反应热mh的计算以Ni-MH电池反应为例,反应热来源可表示为Μ+Η→ΜΗ+Q1.(8)对于典型的AB5合金,MH的生成热是-29.3kJ/mol.所以有Qr=Ιc2×29.3kJ·mol-1/{96487A·s·mol-1/(3600s·h-1)}=0.547IckJ·h-1.(9)由式(9)可见,电池反应热与充电电流呈线性关系,其中,Ic是充电电流.1.2.2极化的产热速率电池总阻抗用Rt表示,由于极化而引起的阻抗用Rp表示,电池纯电阻用Re表示,于是有Rp=Rt-Re.(10)电池的放电电流用Id表示,则电池极化的产热速率为Q′p=Ι2dRp.(11)Q′p不能从式(10)中直接计算,因为所有极化产生的热均以焦耳热形式出现,必须进行阻抗分析,把极化阻抗从电池总阻抗中分离出来.1.2.3电池水在ee基础上的分解对于Ni-MH电池来说,其主要副反应是Η2Ο→Η2+12Ο2+Q2,(12)Ee=-(ΔΗ-ΤΔS)/nF.(13)式(13)中,ΔH=-285.9kJ/mol,TΔS=-48.6kJ/mol,n=2,F=96487C·mol-1(亦即F=96.4kJ·V-1·mol-1),则由式(13)计算得Ee=1.23V,即电池中的水在Ee=1.23V条件下进行分解.事实上,这个副反应同样存在着极化,电池只有充电到1.5V以上才能发生上述反应:正极产生O2,负极产生H2,两者复合生成水:2Η+12Ο2→Η2Ο+Q3.(14)上式中,Q3=-285.9kJ/mol.所以有Q′s=Ιc2×285.9kJ·mol-1/{96487A·s·mol-1/(3600s·h-1)}=5.334IckJ·h-1.(15)1.2.4由于阻塞主义引起的焦耳热电池放电时产生焦耳热的速率可表示为Q′j=Ι2dRe.(16)为了降低焦耳热应该使用减少电池电阻Re的材料及设计结构.1.3池热的产生速率电池产热的主要来源有两方面:一是充放电过程中欧姆内阻产生的I2R;另外就是充放电反应过程中热力学焓的变化.对于特定电池来说,其热产生速率一般与下列因素有关:1)电池的化学成分和结构;2)荷电的初始状态和终止状态;3)电池的初始温度;4)充电和放电的速率和模式.电池产生的热量可以通过量热装置或者一种电化学-量热联合装置在电池充电放电过程中进行测量.表1是几类高性能电池与传统动力电池模块在一定温度和特定放电模式的平均产热速率.其中Ni-MH电池具有比较高的产热速率.1.4测量电池模块的热容量进行热管理系统设计时,除需测量电池热产生速率外,还需要知道电池的热容.表2为几种典型的动力电池热容,可作为热管理系统设计的基础数据.2电池热管理的分类按照采用的传热介质来分类,热管理系统可以分为:采用空气冷却的热管理系统、采用液体介质的热管理系统、采用相变材料的热管理系统.2.1电池加热方式.传热介质对热管理系统的性能和成本有重大的影响.采用空气作为传热介质就是直接把空气导入,使其穿过模块以达到散热目的.采用空气对电池进行加热、冷却(或通风)的热管理系统可以是被动式(只利用了周围环境)或者是主动式(组装在系统内部的、能够在低温情况下提供热源或在高温情况下提供冷源),而主动元件包括蒸发器、加热芯、电加热器或燃料加热器等等.高温环境下电动车电池只需冷却,而不必对其进行加热.相反,在寒冷环境中(温度约为-10℃或以下),大多数电池的能量和功率都降得很低,车辆性能严重衰退,这就需要使用加热系统,以确保正常工作.对于纯电动汽车,由于没有发动机对电池组进行加热,电机散发出来的热以及功率较大的车内电子电器产生的热均可加以利用.而对于HEV而言,发动机可以提供热源,只是它必须经过一定的时间延迟(5min以上)才能使电池加热到理想工作温度,故需要给电池加设相应的加热装置.相对而言,对电池进行冷却比对其加热要容易很多,因为可利用车辆空调、制冷系统或发动机冷却介质进行冷却.然而,使用制冷技术却会导致电池能量消耗增加,这与用混合动力技术来提高其能量经济性相矛盾.2.2模块壁与传热介质的传热采用液体介质的传热可在模块间布置管线,或围绕模块布置夹套,或者把模块沉浸在电介质的液体中,也可把模块直接布置在加热(或冷却)液体中.若液体不是直接和模块接触(如传热管、夹套等),传热介质可以采用水、乙二醇甚至制冷剂.若要把模块沉浸在传热液体中,则该液体必须是电介质,并采用绝缘措施以免发生短路.在模块壁和传热介质之间进行传热的速率取决于液体的热导率、黏度、密度和流动速率等.在相同流速下,大多数直接接触式流体(例如矿物油)传热速率远高于空气.因为后者有比较薄的边界层和较高的导热率.但由于油具有较高的黏度,需要较高的泵送功率,只能采用较低的流速,使其传热系数比空气仅高出1.5到3倍.2.3石蜡和金属填料无论是从节能、提高车辆续驶里程出发,还是从车辆的小型化、微型化趋势来看,传统的以空气、水为冷却介质的热管理系统都存在局限性,而采用相变材料(PCM)的电池热管理系统可望得到使用.利用PCM作为电池热管理系统时,把电池组浸在PCM中,PCM吸收电池放出的热量而使温度迅速降低,热量以相变热的形式储存在PCM中.PCM的相变潜热和相变温度是选择PCM材料的两个重要参考指标.石蜡具有较高的单位质量相变潜热,在电池运行温度范围内有合适的熔化温度,具有大规模商业开发的价值,但导热性能很差,储热速度低,并且还会发生熔化/固化循环中的离析,进而降低整体功能.许多研究者为克服这一缺陷而进行了改进.例如,添加金属填料能有效提高石腊热导率.使用金属翅片管的详细工艺见Morcos工作;使用铝薄板填充PCM的方法见文献的研究;而Mehling等人则提出了在石墨中充填PCM的方法来提高导热性;还有人在PCM中添加碳纤维,或将碳纳米管分散在PCM中.研究结果表明,这些方法可以在很大程度上提高PCM复合材料的热导率和整体性能.3参数的确定和测试系统化的设计和评估BTS的方法包括了如下步骤:1)确定设计目标和限制条件.包括确定电池类型、可以接受的温度范围及其变化程度、车辆所需要的电池外包装等.2)获得模块、电池堆的热产生速率和热容.这些因素影响着冷却/加热系统的尺寸大小以及电池对于热波动的响应速度.3)完成对初级模块和冷却效果的估测.确定模块和电池堆的暂态和稳态热响应的初步分析,其目的是为了选定初步控制策略.为此,需要进行各种选择,其中包括热介质的选择、流径(直接与间接、串联与并联)的选择.4)预测模块或电池堆的热行为.分析在不同驱动条件下各参数的影响.5)设计初步的电池冷却系统.在预期的性能基础上,确定系统的参数.6)构建和测试电池冷却系统.把样品型的电池冷却系统构建好之后,分别在测试台