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新能源汽車(chē)動(dòng)力電池三大熱傳導介質(zhì)材料熱管理系統解析

目錄:導熱材料行業(yè)動(dòng)態(tài)星級:3星級人氣:-發(fā)表時(shí)間:2018-07-10 15:25:00
RSS訂閱 文章出處:跨越電子導熱硅膠片網(wǎng)責任編輯:NSW作者:NSW

新能源汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一是動(dòng)力電池,電池的好壞一方面決定著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的成本, 另一方面決定著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的續駛里程,這兩項也是新能源汽車(chē)是否能為廣大消費者接受和迅速得到普及的關(guān)鍵因素。

據動(dòng)力電池的使用特點(diǎn)、要求、應用領(lǐng)域不同, 國內外動(dòng)力電池的研發(fā)種類(lèi)大致為: 鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池等,其中以鋰離子電池的發(fā)展獲得最為的關(guān)注。
動(dòng)力電池產(chǎn)熱行為
動(dòng)力電池模塊的熱來(lái)源、產(chǎn)熱速率、 電池熱容等有關(guān)參數,與電池的本質(zhì)密切相關(guān)。電池放出熱量取決于電池的化學(xué)、機極、電學(xué)本質(zhì)和特征, 特別是電化學(xué)反應的本質(zhì)。電池反應中產(chǎn)生的熱能,可以用電池反應熱Qr來(lái)表示;電化學(xué)極化使電池實(shí)際電壓偏離其平衡電動(dòng)勢,而由電池極化引起的能量損失用Qp來(lái)表示。電池反應除了按照反應方程式進(jìn)行之外,還存在一些副反應,典型的副反應包括電解液分解及電池自放電,這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的副反應熱為Qs。此外,由于任何電池都會(huì )不可避免地存在電阻,故電流通過(guò)時(shí)就會(huì )產(chǎn)生焦耳熱Qj。 因此,一個(gè)電池總的熱量為如下幾個(gè)方面的熱量總和:Qt= Qr+Qp+Qs+Qj。
根據具體充電(放電)過(guò)程的不同,引起電池產(chǎn)熱的主要因素也不同。 例如,在電池正常充電時(shí),Qr 是主導因素;而在電池充電后期,由于電解液的分解,導致了副反應開(kāi)始發(fā)生(副反應熱為Qs),當電池 接近充滿(mǎn)電而進(jìn)行過(guò)充電時(shí),主要發(fā)生的是電解液分解,這時(shí)Qs占主導地位 。而焦耳熱Qj則取決于電流和電阻,常用的充電方式是在恒定電流下進(jìn)行的,此時(shí)Qj是一個(gè)特定值。然而,在啟動(dòng)和加速時(shí),電流比較大。這對于HEV來(lái)說(shuō),相當于幾十安培到上百安培的電流,這時(shí)候焦耳熱Qj很大,成為了電池放熱的主要來(lái)源。
從熱管理控制性的角度,熱管理系統可以分為主動(dòng)式、被動(dòng)式兩類(lèi)。 從傳熱介質(zhì)的角度,熱管理系統又可以分為:空氣冷卻式、液體冷卻式,以及相變蓄熱式。
空氣為傳熱介質(zhì)的熱管理
傳熱介質(zhì)對熱管理系統的性能和成本有重大的影響。采用空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接把空氣引入,使其流過(guò)電池模塊以達到散熱目的,一般需有風(fēng)扇、進(jìn)出口風(fēng)通等部件。

(動(dòng)力電池風(fēng)冷原理圖)
根據進(jìn)風(fēng)來(lái)源的不同,一般有以下幾種形式:
1 外界空氣通風(fēng)被動(dòng)式冷卻
2.乘客艙空氣通風(fēng)被動(dòng)式冷卻/加熱
3.外界或乘客艙空氣主動(dòng)式冷卻/加熱

(風(fēng)冷系統串行/并行方式)
被動(dòng)式的系統結構相對簡(jiǎn)單,直接利用現有環(huán)境。比如,冬季電池需要加熱,可以利用乘客艙的熱環(huán)境將空氣吸入,若行駛中電池溫度過(guò)高,乘客艙空氣的冷卻效果不佳,則可將外界冷空氣吸入降溫。
而主動(dòng)式系統,則需要建立單獨系統,提供加熱或冷卻的功能,根據電池狀態(tài)獨立控制,這也增加了整車(chē)能源消耗和成本。不同系統的選擇主要取決于電池的使用要求。
液體為傳熱介質(zhì)的熱管理
以液體為介質(zhì)的傳熱,需在模塊與液體介質(zhì)之間建立傳熱通通,比如水套,以對流和導熱兩種形式進(jìn)行間接式加熱和冷卻,傳熱介質(zhì)可以采用水 、乙二醇甚至制冷劑。 也有把極塊沉浸在電介質(zhì)的液體中直接傳熱,但必須采用絕緣措施以免發(fā)生短路。
被動(dòng)式液體冷卻一般是通過(guò)液體-環(huán)境空氣換熱后再將繭引入電池進(jìn)行二次換熱,而主動(dòng)式則是通過(guò)發(fā)動(dòng)機冷卻液-液體介質(zhì)換熱器,或者電加熱/熱油加熱實(shí)現一級加熱,以乘客艙空氣/空調制冷劑-液體介質(zhì)實(shí)現一級冷卻。

(液冷系統原理圖)
對以空氣和液體為介質(zhì)的熱管理系統由于需要風(fēng)扇、水泵、換熱器、加熱器、管路以及其它附件而使結構過(guò)于龐大、復雜,同時(shí)也消耗了電池能量、陣低了電池的功率密度和能量密度。

(風(fēng)冷+水冷系統原理圖)
水冷式電池冷卻系統采用冷卻液 (50%水/50%乙二醇)將電池熱里,經(jīng)電池冷卻器傳遞至空調制冷劑系統,并通過(guò)冷凝器傳遞至環(huán)境中,電池進(jìn)口水溫經(jīng)電池冷卻器換熱后容易達到較低的溫度,可調節電池在最佳工作溫度范國內運行;系統原理如圖所示。其中制冷劑系統主要部件有: 冷凝器、電動(dòng)壓縮機   、蒸發(fā)器、膨脹閥帶截至閥、電池冷卻器(膨脹閥帶截至閥)及空調管等;冷卻水路包括:電動(dòng)水泵、電池(含冷卻板)、電池冷卻器以及水管、膨脹水箱等輔件。
相變蓄熱式熱管理
近年來(lái)在國外和國內出現采用相變材料 ( PCM)冷卻的電池熱管理系統宸現出良好前景。利用 PCM 進(jìn)行電池冷卻原理是: 當電池進(jìn)行大電流放電時(shí),PCM吸收電池放出的熱量,自身發(fā)生相變,而使電池溫度迅速陣低。
(典型風(fēng)冷疊加相變散熱系統結構)
此過(guò)程是系統把熱量以相變熱的形式儲存在 PCM中。在電池進(jìn)行充電的時(shí)候,特別是在比較冷的天氣環(huán)境下(亦即大氣溫度遠低于相變溫度PCT ) PCM 把熱量排放到環(huán)境中去。
相變材料用于電池熱管理系統中具有不需要運動(dòng)部件、不需要耗費電池額外能量等優(yōu)勢。具有高的相變潛熱和導熱率的相變材料,用于電池組的熱管理系統中可以有效吸收充放電過(guò)程中放出熱量,降低電池溫升,保證電池在正常溫度下工作??梢允勾箅娏餮h(huán)前后電池性能保持穩定。通過(guò)在石蠟中添加熱導熱率高的物質(zhì)制成復合PCM,有助于提高材料的綜合性能。
(相變熱管理系統溫度變化對比)
從以上三類(lèi)熱管理形式上看,相變蓄熱式熱管理具有得天獨厚的優(yōu)勢,值得進(jìn)一步研究衵產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)應用。
另外,從電池設計和熱管理系統開(kāi)發(fā)兩個(gè)環(huán)節來(lái)看,應從戰略高度將兩者有機結合起來(lái),進(jìn)行同步開(kāi)發(fā),  使電池更好地適應整車(chē)應用和開(kāi)發(fā),這祥既能節約整車(chē)成本,又能降低應用難度和開(kāi)發(fā)成本,形成平臺化應用,從而縮短新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)周期,加快不同新能源車(chē)型的市場(chǎng)化進(jìn)度。
(本文作者系上海汽車(chē)集團股份有限公司技術(shù)中心工程師 圖片源于網(wǎng)絡(luò ))
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