新一代液冷電池包制冷和加熱系統(tǒng)實驗平臺研發(fā)

馮能蓮， 陳龍科, 鄒廣才

(1. 北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院， 北京 100124； 2. 北京汽車集團有限公司， 北京 101300)

新一代液冷電池包制冷和加熱系統(tǒng)實驗平臺研發(fā)

馮能蓮1， 陳龍科1, 鄒廣才2

(1. 北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院， 北京 100124； 2. 北京汽車集團有限公司， 北京 101300)

針對鋰離子電池在高溫條件下散熱和低溫條件下加熱的新一代液冷熱管理系統(tǒng)，研發(fā)了電池包制冷/加熱系統(tǒng)實驗平臺。根據(jù)新一代液冷電池包的結(jié)構(gòu)特點，在完成實驗平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵部件選型的基礎(chǔ)上，完成實驗平臺搭建。實驗平臺通過供液系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、信號測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)液冷電池包的熱特性實驗，為后續(xù)電池熱管理系統(tǒng)的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

熱管理系統(tǒng)； 制冷和加熱； 實驗平臺； 液冷電池包

動力電池作為電動汽車的主要能源形式,一直是眾多生產(chǎn)、研發(fā)單位爭相投入的熱點,其性能直接影響到電動汽車整體性能[1-2]。鋰離子電池相比其他類型電池,在能量密度、功率密度和使用壽命等方面具有較強優(yōu)勢,成為目前車用動力電池的主流,但電池在高溫環(huán)境中使用以及大電流放電時自身溫度迅速升高,會影響電池的諸多性能參數(shù),如內(nèi)阻、開路電壓、SOC、充放電效率和使用壽命[3-4],甚至引起燃燒、爆炸等安全問題。另外,在低溫環(huán)境中(如-10 ℃或以下),大多數(shù)電池的能量和功率都會降低,車輛性能嚴重衰退[5]。溫度過高或者過低都不利于動力電池的性能發(fā)揮[6],為此,對動力電池進行有效的熱管理是亟待解決的問題。

1 電池冷卻和加熱方式簡介

目前,國內(nèi)外常見的電池冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻以及相變材料冷卻。空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,但冷卻速度較慢,在發(fā)熱量變大時,入口和出口處溫差較大,導致電池溫度分布不均勻；相變材料冷卻效果好,但維護要求及成本高,而且在車用中由于振動和重力作用可能導致材料分布不均,而使溫度分布不均,在大工況下還需要將相變材料所吸收的熱轉(zhuǎn)移到外界；液體冷卻結(jié)構(gòu)相對復雜,但換熱效率高,散熱效果明顯,冷卻效果快,電池溫度分布相對較均勻[7-8]。

常見的加熱方式主要為內(nèi)部加熱和外部加熱,內(nèi)部加熱通過交流電加載到電池正、負極上對電池進行加熱；外部加熱主要有氣體加熱、液體加熱、加熱板加熱、加熱套加熱、帕爾貼效應加熱[9]。綜合考慮實用性及加熱效果,采用液體加熱方式。

液冷電池包以美國Tesla的微管冷卻最具代表性,發(fā)展至今,共有兩代產(chǎn)品：第一代為直管,第二代為蛇形管。但由于微管與電池的接觸面積有限(即使是蛇形管,與圓柱狀電池的接觸區(qū)域也僅20°),因而其冷卻效果并不十分理想。為增加冷卻液(循環(huán)介質(zhì))與電池包的換熱面積,強化換熱效果,開發(fā)了新一代360°冷卻液環(huán)繞的液冷電池包。為檢驗新一代液冷電池包的熱特性,研發(fā)了新一代液冷電池包制冷/加熱系統(tǒng)實驗平臺,本平臺除可實現(xiàn)電池包的冷卻、加熱等實驗之外,還可與文獻[10]的系統(tǒng)相融合,實現(xiàn)功能拓展,從而可為教學實驗和工程實踐提供一個構(gòu)成靈活、內(nèi)容豐富、功能多樣的開放式平臺。

2 實驗平臺方案

為給液冷電池包提供一個具有冷卻和加熱功能的實驗裝置,以保證被試單體電池處于最佳工作溫度范圍,避免單體電池、電池模塊和電池組整體或者局部溫度過高,采用圖1所示方案。實驗平臺由液冷電池包、供液系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、信號測量(傳感器)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等構(gòu)成(圖中未示出)。

圖1 新一代液冷電池包制冷(加熱)系統(tǒng)實驗平臺構(gòu)成示意圖

液冷電池包中布置有若干個電池腔,電池腔的腔壁為導熱性良好的材料,電池腔間的空隙充滿冷卻液,從而形成對電池腔的360°環(huán)繞。外面包裹著導熱絕緣套管的單個柱狀電池置于電池腔內(nèi)。為了便于研究,將電池包內(nèi)的電池編號,從上到下、從左至右依次為1#—9#。整個液冷電池包密封包裝,外敷絕緣防火隔熱層,并設(shè)有液體的進口和出口[11]。當僅研究液冷電池包的熱特性時,其電池可由加熱管(等效電池發(fā)熱的原件)代替，從而既節(jié)約了實驗時間(省略了電池充放電時間),使得整個實驗系統(tǒng)操作簡便、安全；又降低了實驗成本。

實驗平臺包含兩套循環(huán)系統(tǒng),其中之一為供液系統(tǒng),主要包括循環(huán)水泵、儲液箱以及循環(huán)介質(zhì)。選擇腐蝕性低、傳熱效率較高、成本低的乙二醇水溶液作為循環(huán)介質(zhì),循環(huán)水泵將循環(huán)介質(zhì)泵入電池包內(nèi),達到對電池降溫或加熱的目的。

實驗平臺的另一套循環(huán)系統(tǒng)為制冷系統(tǒng),主要包括冷凝器、壓縮機及其控制器、冷凝風扇、毛細管以及蒸發(fā)器。循環(huán)介質(zhì)被制冷系統(tǒng)中的制冷劑冷卻。將加熱棒置于儲液箱內(nèi)加熱循環(huán)介質(zhì)并由供液系統(tǒng)實現(xiàn)電池的加熱功能。

信號測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及計算機等。計算機通過數(shù)據(jù)采集卡采集整個系統(tǒng)中冷卻液的流量、壓力以及溫度。

3 實驗平臺構(gòu)建

實驗平臺見圖2。根據(jù)設(shè)計要求,經(jīng)制冷量計算以及其他關(guān)鍵部件的選型和匹配,確定各組成部件的主要性能參數(shù)見表1。

圖2 新一代液冷電池包制冷/加熱系統(tǒng)實驗平臺

表1 新一代液冷電池包制冷/加熱系統(tǒng)實驗平臺組成部件主要參數(shù)

壓縮機采用微型直流變頻壓縮機,冷凝器采用高效平行流式換熱器,冷凝風扇采用軸流式風扇,蒸發(fā)器采用高效不銹鋼板式換熱器。在電池包的進口和出口處布置電磁閥,可以實現(xiàn)電池包的保溫功能。

4 實驗平臺功能

4.1 電池包制冷實驗

電池包溫度過高時,起動壓縮機,制冷系統(tǒng)運行,循環(huán)水泵將儲液箱內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)輸送至制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)進行冷卻,經(jīng)冷卻后的循環(huán)介質(zhì)通過塑料管輸送至電池包中,電池包內(nèi)的熱量通過冷卻后的循環(huán)介質(zhì)被帶走至儲液箱內(nèi),這樣形成了2個循環(huán),即壓縮機—冷凝器—毛細管—蒸發(fā)器之間的制冷劑循環(huán)和蒸發(fā)器—電池包—儲液箱—循環(huán)水泵之間的介質(zhì)循環(huán)。具體的實驗步驟：在環(huán)境溫度下,開啟加熱管工作,溫度升高到60 ℃時,起動壓縮機,系統(tǒng)運行10 min,記錄電池包內(nèi)所選取的加熱管的溫度數(shù)據(jù)以及進出口循環(huán)介質(zhì)的壓力和流量。

4.2 電池包加熱實驗

低溫環(huán)境下,制冷系統(tǒng)不運行,起動加熱棒,將儲液箱內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)加熱后,通過循環(huán)水泵和塑料管道輸送至電池包中,對電池包進行加熱后的循環(huán)介質(zhì)流至儲液箱內(nèi)進行再次加熱,從而形成了電池包—儲液箱—循環(huán)泵之間的介質(zhì)循環(huán)。具體的實驗步驟：在無強制冷卻的自然環(huán)境中起動儲液箱中的加熱棒,打開循環(huán)水泵,記錄1h內(nèi)電池包中所選加熱管的溫度數(shù)據(jù)。

4.3 電池傳熱特性實驗

當電池包內(nèi)某一電池溫度突然升高時,會對該電池周圍的電池造成相應的影響。為研究電池包內(nèi)相鄰電池間的傳熱速率,進行傳熱特性實驗。選取電池包內(nèi)相鄰的2個加熱管為研究對象,在二者中心的連線上緊挨加熱管處布置2個熱電偶。具體的實驗步驟：室溫下,一個加熱管工作10 min,另一個不工作,讓電池包內(nèi)充滿介質(zhì),記錄兩個熱電偶的溫度數(shù)據(jù)；將電池包內(nèi)的冷卻液放空,重復上述步驟。

4.4 電池包保溫實驗

保溫系統(tǒng)是為滿足短期內(nèi)電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度熱環(huán)境在正常區(qū)間內(nèi)而設(shè)[12]。將電池包外敷保溫材料以起到隔熱的作用,防止電池包的內(nèi)部熱量過快散失。為提高保溫效果,可關(guān)閉進口和出口處的電磁閥以減少電池包與外界的熱量傳遞。

5 實驗結(jié)果與分析

選取電池編號為1、3、5、6、7、9#的加熱管進行溫度分析,在傳熱特性實驗中,6#加熱管不工作,9#加熱管工作。由于不同時間段的室溫略有差異,為便于比較研究,作圖時將起始溫度統(tǒng)一設(shè)為25 ℃。實驗結(jié)果見圖3—圖7。其中,圖3—圖5分別為制冷、加熱和傳熱特性實驗結(jié)果圖,圖6和圖7為電池包進出口的壓力和流量。分析實驗結(jié)果可知：

(1) 制冷系統(tǒng)運行時,10 min內(nèi)加熱管的平均溫降為38.66 ℃,降溫速率為3.866 ℃/min,溫度降到室溫約需30 min,在該工況下,盡管加熱管在工作,但通過液冷系統(tǒng),仍能達到冷卻降溫的效果；

(2) 加熱實驗時,電池的平均溫度由25 ℃上升到34.1 ℃,平均溫升速率為9.1 ℃/h； 冷卻液入口處電池(7#)的溫度最高,冷卻液出口處電池(1#)的溫度最低,兩者之間的溫差為0.9 ℃。

(3) 電池包內(nèi)有液體時,加熱管之間的傳熱速率低于電池包內(nèi)無液體的情況。有液體時,6#表面溫度由25 ℃上升到37.5 ℃,溫升速率為1.25 ℃/min；無液體時,6#表面溫度由25 ℃上升到48.4 ℃,溫升速率為2.34 ℃/min。

圖3 制冷時加熱管溫度與時間的關(guān)系曲線

圖4 加熱管溫度與加熱時間的關(guān)系曲線

圖5 加熱管表面溫度與時間的關(guān)系曲線

圖6 進出口冷卻液的壓力曲線

圖7 進出口冷卻液的流量

6 結(jié)論

(1) 新一代液冷電池包制冷/加熱系統(tǒng)實驗平臺可以實現(xiàn)電池在高溫環(huán)境下的冷卻以及在低溫環(huán)境下的加熱功能,保證單體電池、電池模塊和電池組工作在適宜的溫度范圍,從而維持電池性能、延長電池壽命。

(2) 實驗數(shù)據(jù)可以定性地描述實驗平臺的功能和性能,通過調(diào)試,系統(tǒng)能有效采集信號,可以作為電池管理系統(tǒng)中電池熱管理的研究基礎(chǔ)。

(3) 實驗平臺既克服了實車電池包制冷/加熱教學實驗成本高、用時長、受環(huán)境制約的不足,也為動力電池熱管理提供了良好的原理性、功能性科學研究、技術(shù)開發(fā)、教學實驗和工程實訓平臺。此外,可為相同或相近的電池包液冷系統(tǒng)實驗平臺的搭建和應用提供參考。

References)

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Development of experimental platform for new generation of cooling and heating system for liquid cooled battery pack

Feng Nenglian1, Chen Longke1, Zou Guangcai2

(1. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2. Beijing Automotive Group Co., Ltd., Beijing 101300, China)

Based on the new generation of the hot and cold liquid management system for the lithium ion battery with heat dissipating at high temperature and heating at low temperature, an experimental platform for the cooling and heating system for the battery pack is developed. In accordance with the structural features of a new generation of the liquid battery pack, and based on the completion of the design on the overall structure and the selection of the key components, the experimental platform is established. This platform can realize the thermal characteristic experiment for the liquid cooled battery pack, providing the theoretical basis and technical support for the subsequent research and development of the battery thermal management system.

thermal management system；cooling and heating；experimental platform；liquid cooled battery pack

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.018

2016-10-01 修改日期：2016-12-02

國家自然科學基金資助項目(51075010)；北京市教育委員會重點項目(KZ200910005007)；北京工業(yè)大學教育教學研究項目(ER2011-A03)

馮能蓮(1962—)，男，安徽宣城，博士，教授，主要從事新能源汽車、智能車輛、汽車電子方面的研究.

E-mail：fengnl@bjut.edu.cn

U463.63

A

1002-4956(2017)4-0070-04