热管理分析
一、 热管理研究的目标
(1) 保证电池在最优的工作温度范围内运行;
10-40℃
(2) 模块内部电池之间的温差小于控制值;
≤5℃
(3) 在低温下工作时能将电池预热到工作温度范围;
充电:5℃以上
放电:-20℃以上
(4) 电池组内产生有害气体时能迅速将有害气体排出电池箱外,避免气体积聚。
(5) 轻量化设计
满足国家政策及整车相关能量密度要求
二、 产热情况分析
锂离子电池充放电过程中产生的热量包括以下几种:
Q=Qr+Qp+Qs+Qj
Qr为电池的反应热;
Qp为电池极化产生的热量;
Qs为副反应产生的热量;
Qj为电阻热。
1、 Qr反应热
正极反应:
LiMO2 Li1-xMO2+xLi++xe-
负极反应:
nC+xLi+xe- LixCn
电池反应:
LiMO2 +nC Li1-xMO2+ LixCn +?Q
充电过程为:
放电过程为:
核算每Ah反应产生的热量为:
锂离子电池充电时为吸热反应(使电池温度下降),放电时为放热反应(使电池温度上升)。
2、 Qs 副反应热量
电池在正常的电压范围和温度范围内应用,是没有副反应的,所以正常情况下可以忽略。副反应主要包括SEI膜的分解、电解液的分解、正极的分解、负极与电解液的反应、腹肌与粘合剂的反应等。
各温度下具体的副反应热行为如下表所示:
表1 锂离子电池体系中的热行为
温度范围/℃ | 化学反应 | 热量/(J.g-1) | 说明 |
110~150 | LixC6+电解质 | 350 | 钝化膜破裂 |
130~180 | PE隔膜熔化 | -190 | 吸热 |
160~190 | PP隔膜熔化 | -90 | 吸热 |
180~500 | Li0.3NiO2与电解质的分离 | 600 | 释氧温度T=200℃ |
220~500 | Li0.45CoO2与电解质的分离 | 450 | 释氧温度T=230℃ |
150~300 | Li0.1MnO4与电解质的分离 | 450 | 释氧温度T=300℃ |
130~220 | 溶剂与LiPF6 | 250 | 能量较低 |
240~350 | LixC6与PVDF | 1500 | 剧烈的链增长 |
660 | 铝的熔化 | -395 | 吸热 |
以18650三元2500mAh为例,电芯重量约48g。内部各种物质所占比例约为:
表2 锂离子电池各物质占比
名称 | 质量(g) | 比例 | 说明 |
锂离子电池 | 48 | 100% | |
电池外壳(含盖帽等) | |||
隔膜 | |||
电解液 | |||
正极材料(NCM) | |||
负极材料 | |||
铜箔 | |||
铝箔 | |||
PVDF等粘合剂 | |||
SEI膜 | 估计 |
SEI膜的质量可以根据首次充电时的充电容量损失来进行估算:
3、 Qp极化产生的热量
化学反应中的浓差极化、电化学极化等,引起反应实际电位偏离平衡电位所产生的热量。反应电流越大,极化越大,产生的热量也越大。
极化的大小可以反应在阻抗上,通过测试不同电流状态下的直流电阻,减去电池在该状态下的欧姆电阻,即为电池的极化电阻。
通常常温下的极化电阻为欧姆内阻的0.5~1倍。低温条件下或超出电芯功率承受能力条件下,极化电阻为迅速加大。
4、 Qj电阻热
电池本身电阻产生的热量。电阻可以直接测量出来(用内阻测试仪测量,在1000Hz下测量的内阻)。
由于不同荷电态条件下内部材料比例的变化,不同SOC和温度条件下测量出来的数值会有差异。
欧姆电阻包括电芯自身的欧姆电阻和串联的连接电阻。
5、 热量的简单计算
(1) 依据充放电能量效率计算
不含副反应热量;
整个充放电反应过程的反应热为 0(充电+放电)。
充放电过程中的能量损失可以简单计算产生的热量。
电池组充满电,再放电到充电前的状态,期间充电的总能量减去放电的总能量可以作为此过程产生的热量。
(2) 依据充放电电压曲线及SOC~OCV曲线计算
此过程也为简单计算。未计算反应热,无副反应热。
以电池模块充电过程为例:
以24V120Ah磷酸铁锂电池模块为例,采用0.5C电流充电,充电至28.80V后转恒压充电,直至电流小于0.1C,充电完成。
图 1 24V120Ah磷酸铁锂电池模块充电产热计算
首先测出电池在不同SOC下的电压值。根据电压差别用EXCEL软件进行曲线拟合,拟合曲线为:
y = -191.91x6 + 544.49x5 - 573.57x4 + 278.6x3 - 61.809x2 + 4.8323x + 1.1076
对此函数进行积分,计算充电过程中产生的热量:
Q为充电过程产生的热量,X为SOC,I为充电电流,在恒流充电阶段其值为0.5C,转恒压充电后逐渐减小。
也可以根据实车采集数据计算产生的热量:
循环过程中产生的热量
E为电池在该状态下的平衡电压,可以用在该状态下的稳定开路电压来替代,V为该状态下的实测电压,I为该状态下的实测电流。
(3) 根据直流内阻估算
电池的直流内阻通常为交流内阻的1.5~2倍,不同厂家的电芯表现出来的数值不同(可以通过实验测试),充电和放电过程的数值也有差别,可以根据直流内阻估算电池在充电过程或放电过程中产生的热量。
Q=I2Rt
I为充电电流,R为直流内阻,t为充电时间。
(4) 公式分析估算
对于锂离子电池,热量产生的计算式为:
Qr3为锂离子电池反应热,KJ/mol。F为法拉第常数.
电池的生热量主要与以下因素有关:①电池电化学和电池结构;②初始SOC值;③电池初始温度;④不同的充放电倍率和充放电循环。
电流的大小是影响电池产热量和产热速度的关键,降低电流可以减小产热量、降低产热速度。
根据产热量及运行时间可以计算电池的产热速度。
三、 电芯热模型
1、 圆柱电芯热模型
2、 方形电芯热模型
3、 软包电芯热模型
4、 电池模块热模型
四、 各种材料的热容、导热系统
表3 电池系统材料的导热系数和热容
材料 | 导热系数J/S.m.K | 比热容J/Kg.K |
SAN | 0.174 | |
聚苯乙烯 | 0.15-0.16 | |
PVC | 0.16 | |
PP | 0.22 | |
增强PP | 0.4 | 1500 |
聚酰胺 | 0.2-0.3 | |
玻璃 | 1.0-1.3 | |
铁 | 80 | |
镍 | 81 | 133 |
铝 | 170 | 880 |
铜 | 398 | |
Ni/MH电池内部材料 | 0.90 | |
锂离子电池正极 | 1.58 | |
锂离子电池负极 | 1.04 | |
隔膜 | 0.3344 | |
水 | 4200 | |
锂离子电池 | 约800-1000 | |
空气 | 0.0242(W/m K) | 1006 |
水-乙二醇(50%溶液) | 3300(25℃) |
表4 常见相变材料的热容及相变潜热
材料名称 | 相变温度 | 热容 J/g.℃ | 相变潜热J/g |
Zn(NO3)2.6H2O | 36.1 | 1.34 | 146.95 |
Na2S2O3.5H2O | 48.5 | 1.46 | 208.8 |
Na2HPO4.12H2O | 35 | 1.55 | 278.84 |
Na2SO4.10H2O | 32.4 | 1.76 | 254 |
PEG1000 (聚乙二醇) | 33-38 | / | / |
石蜡 | 40~44 | 1.77 | 195 |
月桂酸-肉豆蔻酸(66:34) | 34.2 | / | 166.8 |
月桂酸——棕榈酸(69:31) | 35.2 | / | 166.3 |
肉豆蔻酸-硬脂酸(64:36) | 44.1 | / | 182.4 |
表5 金属间不同接触方式热阻对比
表面状态 | 接触热阻X104(m2.K/W) | ||
金属与金属 | 干接触 | 高 | 3.55 |
中(平均) | 2.58 | ||
低 | 0.90 | ||
涂硅脂 | 高 | 2.32 | |
中(平均) | 1.29 | ||
低 | 0.48 | ||
导热衬垫 | 高 | 1.10 | |
中(平均) | 0.65 | ||
低 | 0.32 |
五、 散热的理论研究
1热传导
导热是指相互接触而温度不同的物体之间,或同一物体温度不同的各个部分之间,由于微观粒子的热运动而引起的热传递现象。一般说来,固体和静止不动的流体中热量传递依靠导热。
导热的基本规律首先是由法国数理学家傅里叶(Fourier)于1822年提出的,对于一维稳态导热可用下式表示:
式中Qk 为导热热流量,W;A为与热流方向垂直的面积,m2; dT/dx为该截面上沿热流方向的温度梯度;比例常数λ称为导热系数,它是物体的一种热物理参数,其值的大小反映了物体导热能力的强弱;Tw为热物体的表面温度,K;Tb为冷物体的表面温度,K;δb为冷热物体之间的导热层厚度,m。
2 对流散热
对流换热是指运动着的流体与不同温度的固体表面接触时,两者之间的热传递过程。流体与固体之间的换热量一般用英国科学家牛顿于1701年提出的冷却公式来计算:
式中Qc为对流换热热流量,W;h称为对流导热系数,W/ m2K; T w和T f分别表示壁面和流体的平均温度。
在车用电源系统中,对流散热方式是主要的散热形式,如采用风冷、液冷等。
空气流动引起的传热现象十分复杂,经验规则只描述了空气对流引起的热传导。电池高度H对对流的影响十分重要:
dQ/dT=1.4(Twall-Tair)4/3 W·m2
H3·(Twall-Tair)>0.2m3℃
或dQ/dT=1.3h-1/5(Twall-Tair)5/4 W·m2
H3·(Twall-Tair)<0.2m3℃
因此,空气对流引起的散热可粗略近似为:
dQ/dT=3~4 W·M-2·K-1 (高尺寸电池)
dQ/dT=2~3 W·M-2·K-1 (低尺寸电池)
对流换热的情况不仅与流体的种类、温度和运动速度有关,而且还与流体所经过的通道几何形状、尺寸和大小有关。上述不存在气流障碍与强制通风的情况。为保持空气自由流动,两个相向的面之间距离不能小于1cm。在电池组合中应注意使电池之间保持相应的距离。但是,无论自然对流还是强迫对流条件,都无法有效降低组合电池的中心温度。为了提高组合电池的散热,需要在每个单体电池之间留出空隙,有必要时可安装散热片。
对流换热包含两个串联的基本过程:
(1) 由于紧贴壁面有一层极薄的流体(厚度为δb )不流动,热量只能以导热形式传递。
(2) 热量穿过该不流动层后,就被上层流动的流体吸收后带走。
图 对流换热示意图
对流换热系数h为:
h的大小直接影响对流换热的好坏。影响对流换热的因素有以下几点:
a)流体的物理性质
流体的物理性质对其有直接影响:粘性系数大流体不易流动,会使δb增厚,h减小;密度大会增加流体动量,使δb变薄,h增大;比热大会增加热量的迁移速度,使T b 下降,h增大。
b)流体的流动速度
流体的流速快,动量大,克服粘性会带动更多的流体从近壁区流动,使δb变薄,引起h增大。同时,流速快,在对流换热第二个过程中流体带走的热量多(当TW≥T∞时,会使T b下降,引起h增大,从而提高对流换热效率。)
c)流动状态
相对层流而言,湍流能引起更多的热量迁移和动量迁移,分别使T b下降和δb 减小。
d)换热面的位置及形状
电池包内通过电池模块的摆放影响流体的速度场、流动状态,从而影响对流换热。对于同一种流体,在受迫对流时的传热系数显著的大于自然对流时的传热系数。产生这一结果的主要原因是流体在受迫对流时的运动速度比自然对流时要大的多。
3 辐射传热
物体因受热而向外界发射辐射能的现象称为热辐射。在无强迫对流情况下,辐射是十分有效的散热方式。所以电池应以辐射不受限制的方式安装。
据Stefan-Boltzman公式:
dQ/dT=ε·σ·T
ε:Stefan-Boltzman常数,为5.67×10-8 W·M-2·K-4
σ:实际物体与理想辐射物体的辐射能力之比,通常的电池壳材料σ约为0.95。
A、 B两个物体之间引起的净热流密度为:
dQ/dT=ε·σ·(T(A)4-T(B)4)
所以,在与环境温差较小的情况下,辐射传热可作如下近似:
dQ/dT=5~6W·M-2·K-1
电池表面积越大,辐射散热越快,所以在组合电池中,应尽量扩大电池与环境的接触表面。车用电池包中,电池一般处于近似密封环境中,电池箱体内部的环境温度与电池表面温度相差不大,因此辐射散热不能作为主要的散热手段。
六、 各种散热模型
1、 自然散热
(1)按低速车应用计算
以72V30Ah电池组为例:
以0.2C进行充电,单体电芯内阻25mΩ,12P20S。
单体电芯直流内阻按50mΩ。0.2C充电,0.3C放电。
Q充=62*50/(12*1000)*20*5*3600=54000J
电池组重量(电芯按50g计算,假设其他部件的吸热与电池组的自然散热抵消),50*12*20/1000=12Kg
比热为1000J/K.Kg。
充电过程温升为:54000/(12*1000)=4.5℃
同样,计算放电过程的温升为:6.75℃
整个充放电过程的温升为11.15℃。
只要电池箱内部起始温度不超过40℃,电池组即可正常使用。
(2)按高速车应用计算
电池充放电按0.5C计算。
电池组充电过程中的温升为:11.25℃;
放电过程中的温升为:11.25℃。
充放电总过程温升为22.5℃。
若电池组在使用过程中至少要经历一个完整的充放电,则起始温度不能超过32.5℃(控制最高温度不超过55℃)。
在夏天,环境温度就达到接近40℃,所以,经历一个完整的充放电比较难。有效的方法一个是增加电池组的比热容,一个是增加传热速度。
采用导热硅胶,将电池模块和电池箱连接起来,依靠车辆行驶过程中对电池箱的自然散热(对流散热),是一种降低温度的有效方法。
所以,低速车不用进行特别的散热设计,依靠电池箱自身的散热即可满足正常应用。高速车需要考虑,在电池箱外挂情况下,要考虑如何将电池产生的热量有效传递到电池箱上,依靠车辆行驶过程中的对流进行散热,具有较低的成本。若电池箱未暴露在外面(如装在行李舱中等),需要考虑其他的散热形式(风冷或液冷)。
(3)自然散热情况下的模型
2、 风冷散热
(1)风冷情况下散热需求的计算
风冷散热要考虑冷却风道的设计,避免死角。风冷的最大特点是成本低,但密封效果不好,温度均匀性差,这两个需要重点考虑。
风道要使流过电池的风是均匀的,选用并联风道而不要选用串联风道。
选择风机时应考虑的因素包括:风量、风压(静压)、效率、空气 流速、系统(风道)阻力特性、应用环境条件、噪音以及体积、重量等, 其中风量和风压是主要参数。 根据设备风冷系统所需要的风量和风压以及空间大小确定风机的类型。当要求的风量大、风压低的设备,尽量采用轴流式通风机,反之,则选用离心式通风机。通风机的类型确定后,再根据工作点来选择具体的 型号和尺寸。
以高速车为例,正常充好电后温度达到40℃,全放电期间控制温度不超过45℃;风扇开启温度40℃。以72V30Ah电池组为例,完全放电结束。
产热:Q=15*15*50/(12*1000)*20*2*3600=135000J
温度升高5℃电池自身吸热:Q1=12*1000*5=60000J
需要的散热量:Q2=135000-60000=75000J
空气热容1006J/Kg.K,密度为1.293g/L。
进风口温度为环境温度,假设为30℃,出风口温度假设为45℃。
需要的空气为:
75000/(15*1006)*1000=4970.2g
4970.2/1.29/120=32.1L/min
即风扇风量要达到32.1L/min以上。温度可以控制在45℃以下。实际上进出风口温度和风量、风压及冷却通道设计有很大关系。进出风口温差越大,散热效果越好,但电池组内部温度一致性会较差。另外在实际控制中,温度达到40℃开始冷却,但需要降低到35-37℃,才能停止,避免风扇频繁起动。
以某一品牌的风机参数来选型:
3、 液冷散热
液冷散热与情况下产热与前面计算相同。
液冷的散热计算同时需要考虑散热装置的热容,如采用的冷板等。
液冷散热要考虑几项内容:电芯热量的产生——热量从电芯到冷板的传输——液体的冷却及流速、流量控制等。
(1) 在无液体流动情况下的散热
(2) 液体流动情况下的散热
4、 采用灌封胶或相变材料储热的情况
灌封胶或相变材料主要是储热功能,主要是其储热量的计算、成本,能够承受多长时间的产热,热量最终依靠何种方式给散发出去。
七、 综合散热设计模式的分析
液冷+热管等
不同应用的电池组要求散热分析(客车、乘用车等)
八、 加热设计
几种加热方式:
1、 热风加热
2、 液冷加热
3、 保温措施
采用液冷、风冷等情况下可以考虑对电池组进行保温,以便在低温情况下减少热量损失,适应低温充电并提高低温情况下的电性能。
九、 各种模式下的注意事项及关键事项
十、 如何消除凝露
1、 凝露产生的条件
2、 消除凝露的方法
(1) 加液流通道
(2) 加干燥剂
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