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PACK动力电池包散热设计方案方法

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动力电池包散热是在动力电池PACK设计中的一种常见现象,只有动力电池包散热效果好电池性能才更安全稳定,所有的动力电池包都有热设计,通过风扇或者其它的准确去热原理将动力电池包热度降下来,锂动力电池包散热PACK解决方案普遍应用在大型储能锂电,电动汽车电池PACK上面。

一、动力电池包散热究竟是为什么?

1、动力电池包作为电动汽车上装载有电池组的主要储能原件,是电动汽车的关键部件,直接影响到电动汽车的良好性能。锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和长寿命等优点,目前在电动汽车电池包中得到良好应用。但锂离子动力电池的性能对温度变化较敏感,特别是车辆上运用的大容量、高功率锂离子电池。车辆上的装载空间有限,车辆所需电池数目较大,电池均为紧密排列连接。当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时,电池会以不同倍率放电,以不同生热速率产生大量热量,加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集,从而导致电池组运行环境温度复杂多变。

动力电池包散热被动冷却和主动冷却示意图

2、动力电池包发热电池体的密集摆放,中间区域必然热量聚集较多,边缘区域较少,增加了电池包中各单位之间的温度不均衡,加剧各电池模块、单体内阻和容量不一致性。如果长时间积累,会造成部分电池过充电和过放电,进而影响电池的寿命与性能,并造成安全隐患。如果电动汽车电池组在高温下得不到及时通风散热,将会导致电池组系统温度过高或温度分布不均匀,最终将降低电池充放电循环效率,影响电池的功率和能量发挥,严重时还将导致热失控,影响电池的安全性与可靠性。因此为了使电池包发挥最佳性能和寿命,需要优化电池包的结构,对它进行热管理,增加散热设施,控制电池运行的温度环境。

二.动力电池包散热方式有那些?

1、动力电池包散热采用主动方式还是被动方式,效率会有很大的差别。被动系统所要求的成本比较低,采取的措施也较简单。主动系统结构相对复杂一些,且需要更大的附加功率,但它的热管理更加有效。

2、动力电池包散热解决方案也会考虑成本、质量、空间的布置,早期在温和气候条件下使用的车辆都是没有使用冷却单元并且只依靠空气来散热电池(如图1)。目前生产的一些混合电动汽车也是使用环境空气来被动冷却电池包。尽管空气是经过汽车空调(交流)冷却的,但它仍然被认为是一种被动系统。

3、动力电池包散热根据传热学理论,固体与气体,固体与液体接触产生传热现象。气体的对流换热系数远远没有液体的对流换热系数大,液体与固体接触对流换热能力更强。传热系数越大所交换的热量越多,换热效果就越明显,因此要选择合适的传热介质。各种传热现象的传热系数范围如下图所示。

动力电池包散热传热现象的传热系数范围表

4、使用液体作为传热介质,需要考虑导电性,安全性,还有密封性,以及以后的维修方便性,还要考虑到电池包整体的重量。相变材料(例如液体石蜡)的传热蓄热能力最强,且在达到相变温度时可以大量吸热或放热而不升温降温。通过选用合适的相变材料能够使电池单体有效地达到热平衡,很好控制电池温度上下限,避免产生温度过高过低现象。但是考虑到材料的研发、制造成本等问题,目前最有效最常用的还是采用空气作为散热介质。目前多采用的空冷主要有并行和串行两种通风方式,如下图所示。这就要求在锂电池包结构上设计相应导风口,尽量减小空气流动阻力,保证气流的均匀性。

动力电池包散热设计串行通风方案图

5、动力电池包散热串行情况下一般是使空气从电池包一侧流往另外一侧,从而达到带走热量的效果。因此气流会将先流过的地方的热量带到后流过的地方,从而导致两处温度不一致且温差较大。而并行情况下模块间空气都是直立上升气流。这样能够有效地分配气流,从而保证电池包中各处散热一致。

6、在设计动力电池包散热系统时,应该综合考虑各因素,可以看出:

1)采用气体(空气)作为传热介质的主要优点有:结构简单,质量轻,有害气体产生时能有效通风,成本较低;不足之处在于:与电池壁面之间换热系数低,冷却速度慢,效率低。目前应用较多。

2)采用液体作为传热介质的主要优点有:12V便携式储能电池组与电池壁面之间换热系数高,冷却速度快;不足之处在于:密封性要求高,质量相对较大,维修和保养复杂,需要水套、换热器等部件,结构相对复杂。

3)采用相变材料的主要优点有:与电池壁面之间换热系数高,冷却速度快,效率高,还能一定程度上控制温度上下限;不足之处在于:研发制造成本高。

动力电池包散热加热PACK设计结构效果图

三、动力电池包散热设计结论:

1、动力电池包散热应该根据电池的热特性来选择冷却系统;某些电动汽车电池包,在车辆经常使用温度环境下,不需要进行散热就能够正常运行,有些车辆例如纯电动汽车需要冷却和加热两个系统才能保证正常运行。

2、动力电池包散热还应根据具体强度需求来选择何种散热方式,例如PACK锂电池并联混合电动汽车或一些由电源协助的混合动力汽车,空冷散热系统就足够了,对于纯电动汽车和串联混合电动汽车,产生的热量较多,可能需要更有效地液体冷却系统。另外还应该考虑车辆的构造,以及成本需求等合理地选取主被动方式,充分利用车辆自身资源。

3、总之所设计的动力电池包散热系统需要满足结构简单、系统可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。

PACK动力电池包散热方式一般都是多种多样灵活运用,根据不同的动力电池包散热要求不同,对应的PACK动力电池包散热方式也有所不同,查看网站地图,可以了解更多相关动力电池包散热PACK解决方案。

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