hev電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究

hev電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究

未來20或30年，混合動(dòng)力車輛（hybridelarker，hvs）將一些傳統(tǒng)的商用車替換為大型商用汽車，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的營銷。能量儲(chǔ)存系統(tǒng)是hev最重要的部件。它的動(dòng)力性和長度決定了整個(gè)車輛的成本和性能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，hev電池從體積和質(zhì)量上重新開始發(fā)展，體積和質(zhì)量比高的串聯(lián)電池更小。這為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。hv電池的生成行為研究是基于熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，值得國內(nèi)研究人員充分關(guān)注。1電池發(fā)熱的原因?qū)﹄姵啬K進(jìn)行熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì),需估算或測量電池模塊的熱來源、產(chǎn)熱速率、電池?zé)崛莸扔嘘P(guān)參數(shù),這些參數(shù)與電池的本質(zhì)密切相關(guān).1.1電池的反應(yīng)ts電池放出熱量取決于電池的化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)本質(zhì)和特征,特別是電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì).以鎳氫電池為例,其反應(yīng)機(jī)理可概括為ΝiΟΟΗ+Η2Ο+e←→Νi(ΟΗ)2+ΟΗ-,(1)ΜΗ+ΟΗ-←→Μ+Η2Ο+e.(2)→∶放電過程,←∶充電過程在電池進(jìn)行充電、放電過程中,可觀察到放熱和吸熱過程.放熱反應(yīng)是在恒溫恒壓下進(jìn)行的可逆過程,由式(3)確定.ΔG=ΔΗ-ΤΔS=ΔΗ-Τ[-δ(ΔG)/δΤ].(3)式(3)中,ΔG為Gibb’s自由能的變化量,相當(dāng)于電池可以對外所做的最大電功;ΔH為電池反應(yīng)過程中的焓變;T是熱力學(xué)溫度,ΔS是熵變.當(dāng)電池分別進(jìn)行充電、放電時(shí),反應(yīng)熱效應(yīng)的數(shù)值相同,符號(hào)相反.TΔS相當(dāng)于電池反應(yīng)中產(chǎn)生的熱能,它可以用電池反應(yīng)熱Qr來表示:Qr=ΤΔS=Τ[-δ(ΔG)/δΤ],(4)ΔG=-nFEe,(5)Qr=nFΤ(δEe/δΤ),(6)式中,F是法拉弟常數(shù),Ee是電池平衡電動(dòng)勢,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來表示.電池反應(yīng)除了按照反應(yīng)方程式進(jìn)行之外,還存在一些副反應(yīng),典型的副反應(yīng)包括電解液分解及電池自放電.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=nFΤ(δEe/δΤ)-nF(Ee-Ef)+Qs+Qj.(7)根據(jù)具體充電(放電)過程的不同,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),式(7)中的Qr是主導(dǎo)因素;而在電池充電后期,由于電解液的分解,導(dǎo)致了副反應(yīng)開始發(fā)生(副反應(yīng)熱為θs),當(dāng)電池接近充滿電而進(jìn)行過充電時(shí),主要發(fā)生的是電解液分解,這時(shí)Qs占主導(dǎo)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,往往以5到10C的倍率進(jìn)行放電.這對于HEV來說,相當(dāng)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源.因此,在設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí),應(yīng)當(dāng)充分關(guān)注起決定作用的產(chǎn)熱因素.1.2在電池性能的理論分析中1.2.1電池反應(yīng)熱mh的計(jì)算以Ni-MH電池反應(yīng)為例,反應(yīng)熱來源可表示為Μ+Η→ΜΗ+Q1.(8)對于典型的AB5合金,MH的生成熱是-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)可見,電池反應(yīng)熱與充電電流呈線性關(guān)系,其中,Ic是充電電流.1.2.2極化的產(chǎn)熱速率電池總阻抗用Rt表示,由于極化而引起的阻抗用Rp表示,電池純電阻用Re表示,于是有Rp=Rt-Re.(10)電池的放電電流用Id表示,則電池極化的產(chǎn)熱速率為Q′p=Ι2dRp.(11)Q′p不能從式(10)中直接計(jì)算,因?yàn)樗袠O化產(chǎn)生的熱均以焦耳熱形式出現(xiàn),必須進(jìn)行阻抗分析,把極化阻抗從電池總阻抗中分離出來.1.2.3電池水在ee基礎(chǔ)上的分解對于Ni-MH電池來說,其主要副反應(yīng)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),則由式(13)計(jì)算得Ee=1.23V,即電池中的水在Ee=1.23V條件下進(jìn)行分解.事實(shí)上,這個(gè)副反應(yīng)同樣存在著極化,電池只有充電到1.5V以上才能發(fā)生上述反應(yīng):正極產(chǎn)生O2,負(fù)極產(chǎn)生H2,兩者復(fù)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由于阻塞主義引起的焦耳熱電池放電時(shí)產(chǎn)生焦耳熱的速率可表示為Q′j=Ι2dRe.(16)為了降低焦耳熱應(yīng)該使用減少電池電阻Re的材料及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu).1.3池?zé)岬漠a(chǎn)生速率電池產(chǎn)熱的主要來源有兩方面:一是充放電過程中歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的I2R;另外就是充放電反應(yīng)過程中熱力學(xué)焓的變化.對于特定電池來說,其熱產(chǎn)生速率一般與下列因素有關(guān):1)電池的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu);2)荷電的初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài);3)電池的初始溫度;4)充電和放電的速率和模式.電池產(chǎn)生的熱量可以通過量熱裝置或者一種電化學(xué)-量熱聯(lián)合裝置在電池充電放電過程中進(jìn)行測量.表1是幾類高性能電池與傳統(tǒng)動(dòng)力電池模塊在一定溫度和特定放電模式的平均產(chǎn)熱速率.其中Ni-MH電池具有比較高的產(chǎn)熱速率.1.4測量電池模塊的熱容量進(jìn)行熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),除需測量電池?zé)岙a(chǎn)生速率外,還需要知道電池的熱容.表2為幾種典型的動(dòng)力電池?zé)崛?可作為熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).2電池?zé)峁芾淼姆诸惏凑詹捎玫膫鳠峤橘|(zhì)來分類,熱管理系統(tǒng)可以分為:采用空氣冷卻的熱管理系統(tǒng)、采用液體介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)、采用相變材料的熱管理系統(tǒng).2.1電池加熱方式.傳熱介質(zhì)對熱管理系統(tǒng)的性能和成本有重大的影響.采用空氣作為傳熱介質(zhì)就是直接把空氣導(dǎo)入,使其穿過模塊以達(dá)到散熱目的.采用空氣對電池進(jìn)行加熱、冷卻(或通風(fēng))的熱管理系統(tǒng)可以是被動(dòng)式(只利用了周圍環(huán)境)或者是主動(dòng)式(組裝在系統(tǒng)內(nèi)部的、能夠在低溫情況下提供熱源或在高溫情況下提供冷源),而主動(dòng)元件包括蒸發(fā)器、加熱芯、電加熱器或燃料加熱器等等.高溫環(huán)境下電動(dòng)車電池只需冷卻,而不必對其進(jìn)行加熱.相反,在寒冷環(huán)境中(溫度約為-10℃或以下),大多數(shù)電池的能量和功率都降得很低,車輛性能嚴(yán)重衰退,這就需要使用加熱系統(tǒng),以確保正常工作.對于純電動(dòng)汽車,由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)對電池組進(jìn)行加熱,電機(jī)散發(fā)出來的熱以及功率較大的車內(nèi)電子電器產(chǎn)生的熱均可加以利用.而對于HEV而言,發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供熱源,只是它必須經(jīng)過一定的時(shí)間延遲(5min以上)才能使電池加熱到理想工作溫度,故需要給電池加設(shè)相應(yīng)的加熱裝置.相對而言,對電池進(jìn)行冷卻比對其加熱要容易很多,因?yàn)榭衫密囕v空調(diào)、制冷系統(tǒng)或發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻.然而,使用制冷技術(shù)卻會(huì)導(dǎo)致電池能量消耗增加,這與用混合動(dòng)力技術(shù)來提高其能量經(jīng)濟(jì)性相矛盾.2.2模塊壁與傳熱介質(zhì)的傳熱采用液體介質(zhì)的傳熱可在模塊間布置管線,或圍繞模塊布置夾套,或者把模塊沉浸在電介質(zhì)的液體中,也可把模塊直接布置在加熱(或冷卻)液體中.若液體不是直接和模塊接觸(如傳熱管、夾套等),傳熱介質(zhì)可以采用水、乙二醇甚至制冷劑.若要把模塊沉浸在傳熱液體中,則該液體必須是電介質(zhì),并采用絕緣措施以免發(fā)生短路.在模塊壁和傳熱介質(zhì)之間進(jìn)行傳熱的速率取決于液體的熱導(dǎo)率、黏度、密度和流動(dòng)速率等.在相同流速下,大多數(shù)直接接觸式流體(例如礦物油)傳熱速率遠(yuǎn)高于空氣.因?yàn)楹笳哂斜容^薄的邊界層和較高的導(dǎo)熱率.但由于油具有較高的黏度,需要較高的泵送功率,只能采用較低的流速,使其傳熱系數(shù)比空氣僅高出1.5到3倍.2.3石蠟和金屬填料無論是從節(jié)能、提高車輛續(xù)駛里程出發(fā),還是從車輛的小型化、微型化趨勢來看,傳統(tǒng)的以空氣、水為冷卻介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)都存在局限性,而采用相變材料(PCM)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可望得到使用.利用PCM作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí),把電池組浸在PCM中,PCM吸收電池放出的熱量而使溫度迅速降低,熱量以相變熱的形式儲(chǔ)存在PCM中.PCM的相變潛熱和相變溫度是選擇PCM材料的兩個(gè)重要參考指標(biāo).石蠟具有較高的單位質(zhì)量相變潛熱,在電池運(yùn)行溫度范圍內(nèi)有合適的熔化溫度,具有大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的價(jià)值,但導(dǎo)熱性能很差,儲(chǔ)熱速度低,并且還會(huì)發(fā)生熔化/固化循環(huán)中的離析,進(jìn)而降低整體功能.許多研究者為克服這一缺陷而進(jìn)行了改進(jìn).例如,添加金屬填料能有效提高石臘熱導(dǎo)率.使用金屬翅片管的詳細(xì)工藝見Morcos工作;使用鋁薄板填充PCM的方法見文獻(xiàn)的研究;而Mehling等人則提出了在石墨中充填PCM的方法來提高導(dǎo)熱性;還有人在PCM中添加碳纖維,或?qū)⑻技{米管分散在PCM中.研究結(jié)果表明,這些方法可以在很大程度上提高PCM復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和整體性能.3參數(shù)的確定和測試系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)和評估BTS的方法包括了如下步驟:1)確定設(shè)計(jì)目標(biāo)和限制條件.包括確定電池類型、可以接受的溫度范圍及其變化程度、車輛所需要的電池外包裝等.2)獲得模塊、電池堆的熱產(chǎn)生速率和熱容.這些因素影響著冷卻/加熱系統(tǒng)的尺寸大小以及電池對于熱波動(dòng)的響應(yīng)速度.3)完成對初級模塊和冷卻效果的估測.確定模塊和電池堆的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱響應(yīng)的初步分析,其目的是為了選定初步控制策略.為此,需要進(jìn)行各種選擇,其中包括熱介質(zhì)的選擇、流徑(直接與間接、串聯(lián)與并聯(lián))的選擇.4)預(yù)測模塊或電池堆的熱行為.分析在不同驅(qū)動(dòng)條件下各參數(shù)的影響.5)設(shè)計(jì)初步的電池冷卻系統(tǒng).在預(yù)期的性能基礎(chǔ)上,確定系統(tǒng)的參數(shù).6)構(gòu)建和測試電池冷卻系統(tǒng).把樣品型的電池冷卻系統(tǒng)構(gòu)建好之后,分別在測試臺(tái)