目前克服电池热管理技术难点的方法
目前主流的克服电池热管理的技术方案:电池模组空冷方案 / 电池模组液冷方案 / 电池模组相变材料冷却
1.电池模组空冷方案
电池组的空气冷方式,通过流动的空气带走/带来热量,对电池模组进行降温/升温,使得电池模组在安全的温度范围内运行和工作。目前空气冷却的方案多是通过设计风扇 / 电池排布 / 空气流经路径 / 交替通风等方式来实现电池模组的热管理。
串行风冷的方案相对简单,其根据散热的需求设置送风装置的分布位置,这样对模组尺寸的包容性更加好,缺陷就是易造成温度分布的不均匀。行业内专家设计了一种具有散热孔的电池模组强制空冷散热方案,且与三种典型阵列的电池组的散热情况对比,对不同进口的空气温度和进口风速对电池模组的冷却效果进行分析,最终发现并排的模组降温效果最佳,其温度均匀性最出色。
第二名是交叉错排 / 对齐错排,这种分层空气冷却方案将空气的域划分为上和下两个部分,同时设置异侧的空气进出口。行业内人员还特意通过仿真验证,与未分层的方案进行对比,新方案中的电池温度的均匀性大幅度提高,而且还降低电池组的最高温度和最大温差,最大平均温差只减小了 1.1℃。这种通过在电池进口处,增加了整流栅格的方法进行反向分层气流的改善,降低电池进口处温度的波动,平均温度竟然降低了 2.7℃,行业内人员还想通过改变电池间距 / 空气域层数 / 扰流片的增加 / 空气流速的改变方案进行结构优化。
虽然并行空冷的方案,其电池冷却的效果更出色,保证了电池温度的均匀性,但是由于并行风冷送风口设计在电池轴向的方向,会对送风口的布置 / 模组尺寸的要求提高。行业内专家又设计了纵向气流的强制空冷方案,行业内人员也通过实验和仿真这种散热方式下的三个排列的模组散热情况,最终显示这种空冷方案竟可显著降低电池组的最高温度。
还提出了基于并排风冷分布式的风冷方案,在模组中,每个电池之间设计空气管道,其通过改变管道上孔的直径 / 数量获得最优管道的参数,将模组最高温度成功降低,并改善温度均匀性。
2.电池模组液冷方案
液体冷却一般具有较高的传热系数,它可带走电池模组非常多的热量,这样液体介质可以同时循环利用,将成本一起降低了。而且其高效率和低能耗,目前液冷成为电动汽车热管理系统的最佳的方案。
行业内的专家也提出了一种新型的三曲面导热管通液体的方式来冷却电池,其弧形面增大单个电池的冷却面积,且提高了冷却效率。且针对并联的电池模组的液体冷却系统,通过设计系统的进口和出口方向,使并联通道间流量进行均匀化,电池模组最低温差竟然可降到 3.604K。
对圆柱形锂离子电池,还有一种基于半螺旋管的液体冷却方法,行业内人员通过仿真的分析,发现螺距/螺旋管数量的改善对电池冷却性能的影响不明显,但是上端 3个进口/ 2 个出口时,电池温差最小达到 4.6K,验证改变流动方向竟可改善电池轴向温度的不均匀性,除此以外,大直径的螺旋管也增强液体与电池壁面的换热效率,加速降低电池的温差。
行业内还有专家利用空调制冷剂冷却电池组,其研究了改变制冷剂流动方向对模组冷却效果的影响,这种系统可以自动控制整体模组温度,当外界的极端环境温度在 40℃下,它可以将电池模组的温度控制在 35℃以下,且模组温差可保证在 1.5℃范围内,当制冷剂回路的进出口处于同侧时,冷却剂可对电池冷却两次,模组温差小于进出口在两侧时的温差。
3.电池模组相变材料冷却
PCM 相变材料是新型 BTMS 的最理想选择。由于利用其高潜热,PCM 可以吸收大量的热量产生的电池,而不改自身材料温度。基于 PCM 的 BTMS 可以控制电池组在理想的温度范围内工作,还可以保持所有电池内部的温度均匀性。石蜡因其潜热大 / 无毒 / 价格低廉 / 导热系数低/ 形状稳定性差等优势,作为 PCM 应用最广泛的材料。
为了将相变材料的导热系数提高,行业内尝试已经将石墨 / 泡沫金属 / 碳纤维 等导热增强材料和石蜡基体混合,一起合成各种复合相变材料。利用化学气相沉积技术开发了石墨烯涂层泡沫镍,其导热系数提高了 23 倍,而且潜热和比热均降低了 30%,在 0.5C 放电速率下,电池表面温度较泡沫镍降低 17%。而且加入 EG 后,电池的热管理性能还可以明显提高,改善了 CPCM 的导热性。
4.目前各大新能源车厂的技术克服方案
液冷是目前的最优选方案,其中宝马i3 / 特斯拉 / 通用Volt / 吉利帝豪EV等车型均采用液冷技术,但各自液冷的排列方式不同。
特斯拉的车具有一套专门的液体循环温度管理系统,其包裹每一节单体电池,冷却液由50%的水和50%的乙二醇混合而成的绿色液体,其不断地在管道中流动直到从车辆头部的热交换器散发出去,以此方法来保证电池温度的均衡,预防电池局部温度过高导致电池性能下降。 特别的是,特斯拉的电池热管理系统,竟然能将电池组间的温度控制在±2℃以内,这样温度控制可以有效延长电池的使用寿命。