电动汽车电池热管理系统的设计与热分析

通过汽车电池中的操作部件来控制散热需要一个至关重要的热管理设计。作为一种主动冷却方法，建议使用相变材料(PCM)来调节电池模块温度。即使在较低的流量下，液冷的传热系数也要高出1.5-3倍。如今，全球电池的生产速度已经从每天4000个提高到10万个。面向未来的锂(金属)电池化学，能量密度提高3倍。电池热管理不力是问题的根源。为了优化电池模块，识别可能的故障模式和原因非常重要。在不同的工作温度下，用于在电池的通过持续时间内携带热量的介质是各种相变材料。潜热是显著的，许多由脂肪酸衍生的植物脂肪比盐水合物和石蜡更有效。融化温度在-30到150摄氏度之间。优化的结果是，与主电池温度控制系统相比，电池之间的均方根温度降低了13.3%。在我们的工作中，我们描述了在简单的电池组电池中增强温度均匀性和冷却的技术。目前正在研究四种不同的电池组组合。在第一个概念中，在标准电池组中增加了一个进气充气箱。在第二种设计中，将喷气进气道与进气静压室集成在一起，在第三种配置中，将多个涡发生器包含在进气静压室中。最后，第四次迭代的电池组包含一个进气静压室、喷气进气道和多个涡发生器。结果表明，在同一设计中集成一个进气静压室、几个涡发生器和喷气进气道产生了显著的改进。根据研究结果，电池组的最高温度降低了5%，电池组记录的最高温度和最低温度之间的温差降低了21.5%。

01  介    绍 

       随着世界空气污染和燃料资源的枯竭，我们向汽车替代燃料过渡是至关重要的。在交通运输领域，为我们的汽车增加和开发一种有效的环保能源是至关重要的。如今，为了减少空气污染和满足我们的燃料需求，人们非常重视电动汽车和电动混合动力汽车。石油价格每天都在持续上涨，因此我们希望更多地关注使用电能作为我们汽车的燃料。然而，在电动汽车中大规模使用能源存在许多问题。电动汽车的充电时间为1小时。       充电周期极长：为解决这一问题，实施了快速充电方式。在快速充电方法中，使用了大功率电池。因为这种方式的充电速率高，产生的热量也更多。充电和放电过程中产生的热量应该从我们的电池中去除。当热量没有散发出去时，就会限制流向电机的电荷，导致电池的功率效率下降。因此，在保持电池工作温度的同时排出热量至关重要。未来，电力将主宰我们的世界。因此，电力储存至关重要。电子流的直接存储是不可能的。结果，电力以化学反应的形式储存。我们可以在电池的帮助下实现存储。

02  热管理

       其他可充电电池类别，如铅酸电池等，在汽车领域的效果不如锂离子电池。由于锂离子电池具有高比容量和长寿命周期的特点，因此大多数电动汽车都使用锂离子电池。另一方面，工作温度对锂离子电池的理化参数，如额定值和循环性能都有影响。电池的性能会随着温度的升高而下降。充电流量和环境温度都会对电池性能产生影响。有几种方法可以减少电池产生的热量。       以前，内燃机的冷却系统是由空气来完成的。空气冷却系统对于CC较低的发动机是足够的，因为低功率发动机的传热率相当低，而大CC发动机的传热率相当高，所以采用液体系统将热量降到最低。同样，低功率电池需要使用空气冷却系统，而高功率电池则需要使用液体冷却系统。有多种散热方法，可以将其分类为空气、液体或相变物质与各种冷却系统相结合。夏季的环境温度非常高，可能比电池的工作温度还要高。因此，电池在没有接受任何充电的情况下就会升温，这可能会减少电池的循环时间。车辆的热管理系统应该一直处于运行状态，以防止此类问题的发生。

电动汽车和混合动力汽车的电池组系统

       电动汽车的主要动力源是电化学电池和燃料电池。然而，由于与储存和输送氢气相关的挑战，燃料电池不太受欢迎。与电池相比，燃料电池也更昂贵。推动燃料电池价格上涨的主要因素是其中铂的使用。自20世纪80年代以来，电池技术不断发展。2006年的电池价格为每千瓦时1200美元。制造速度的降低是造成这一现象的原因。最初，没有合适的制造电池的机器。因此，制造和销售电池的成本增加了。不过，由于新技术的发展，制造和销售电池的价格已经下降。电池组中的电池正在构建成模块化结构。锂离子电池会受到过度充电和充电不足的严重损害。因此，控制和安全应该存在于每个模块中。一行或一列放置八个单元格是常见的模块设计。世界上第一辆使用锂离子电池的电动汽车是日产公司的Altra。8个电池模块中的12个组成了该车的电池组。使用了一个364.55千克的电池组。电池组的外壳总重量为48公斤，而电路、模块封装和电池本身的重量为3176公斤。尺寸大致为40英寸x80英寸x7英寸(100厘米x200厘米x18厘米)。此外，这个包可以放在汽车的乘客区下面。

       另一种不同的电动汽车电池设计概念是将6个44-Ah的SAFT电池组装成模块，每个模块重7.35千克(16磅)。该设计的控制电路和模块封装重量为0.93kg。电池内部的电芯连接方式会影响电池的电压和容量。容量和电压对(44Ah,21V)，(88Ah,10.5V)和(132Ah,7V)都在文献中被引用过。这些模块如何捆绑将留给汽车制造商。       另一种选择是由100个串联的10-Ah电池组成的大功率电池组。SAFT展示了两个大功率风冷模块原型。电池容量为6Ah或12Ah。为了满足PNGV(新一代汽车合作伙伴关系)的质量和体积目标，最多可以将六个6-Ah模块或四个12-Ah模块合并到电池组中。这个电池组是风冷的，在长边的中间可以看到冷却风扇。这款电池组重32公斤，尺寸分别为71厘米、30厘米和15厘米(28英寸、12英寸和6英寸)。混合动力汽车的电池组比电动汽车小得多。例如，日产Tino混合动力车由两个模块组成，每个模块有48个3.6ah电池。电池组总重量为40公斤。因此，为了让电动机产生同样的加速度，每个电池必须更快地放电。在充电过程中，同样的事情也会发生。因此，相比于混合动力汽车，电动汽车可以从再生制动中吸收更多的能量。

相变材料

      相变材料(PCM)是由于加热或冷却而发生相变的物质。这些物质被用来吸收、储存和释放热能，因为它们可以从固体变为液体，再变为液体。pcm可以用来储存能量以备后用。PCM以下列方式被描述为蓄热材料。

•由于吸热使物质熔化(在特定温度下)

•物质在熔化时从大气中吸收大量热能(周围变冷)

•该物质凝固，然后在温度下降时释放热量(周围成为加热器;良好的通风控制可能导致热量过多散失)

•通过将PCM放置在绝缘缓冲液中，“冷或潜热”可以在之后使用。

当冰融化并引入热量时，只要冰不融化，温度就不会上升。在冻结过程中，热量被“储存”起来，之后可以释放出来(凝固)。在技术术语中，这被称为“潜热”或焓。

一般来说，有许多不同种类的相变材料可供选择。石蜡、盐水合物和脂肪酸是被称为“相变材料”的材料的例子。我们可以根据PCM的种类来使用PCM，每种PCM材料都有独特的优点和缺点。例如，深度冷冻应用使用所谓稳定安全的液体进行冷却。共晶点是凝固点低于0℃的两种物质的组合。

水基

这些PCMs主要由水组成，水在PCMs中起着重要的作用。冷库系统，又称冰库系统，主要应用于空调和加工工业。考虑标准的建筑冷却或啤酒厂操作。添加乙二醇或乙醇可以降低冰点，使冷冻温度低至-30°C。大家都知道，冷藏箱里含有所谓的冷冻成分。

盐的水合物

       盐水合物是由无机盐和水组成的。熔点在8.5到90摄氏度之间变化。盐水合物生产成本低，潜在熔融温度高，导热性好，不可燃。一个缺点可能是，由于结晶性差，盐水合物更容易发生过冷。也就是说，材料的凝固点比实际凝固点l要高。然而，对于某些应用来说，这可能是有利的。另外，普通的水也会受到超冷作用的影响。在大多数情况下，这是通过在物质中添加添加剂来解决的。

石蜡(Wax)

       石蜡(无色)，有时被称为蜡，是石油产品之一。比较盐水合物的熔点温度范围。它们可以忍受潜在的融化热，并且没有超级冷却的问题。缺点是价格波动较大，因为它们与油价有关。更不用说，像所有类型的化石燃料一样，化石燃料的开采对环境的影响也很大。马特里亚尔的可燃性是一个主要的缺点，如果没有额外的预防措施，就不可能在建筑环境中使用。

添加添加剂来解决的。

植物基材料

       所提到的PCMs是唯一有机的，原因是它们是从植物和动物脂肪中提取的。它是可再生资源的一个例子。熔点范围从-30摄氏度到150摄氏度。蔬菜中脂肪含量最高的脂肪酸衍生脂肪比盐和石蜡(蜡)的水合物更有效。然而，一个明显的缺点是每公斤价格高，这使得在可预见的未来几年内，建筑环境中的大规模应用成本高昂。

03  材料细节

为了应对气候变化，提高能源效率、可再生能源组合和能源管理都是必要的。热能收集是实现这些目标的一个很好的选择和手段，相变材料是最好的选择之一(pcm)。与显热或冷库相比，相变材料具有更大的优势和更密集的蓄热能力。通过将相变材料应用于冰箱、空调、自然冷却和吸收式/吸附式冷却器，可以实现功率和负荷利用率最小化、可再生能源的集成、电池性能和效率的提高以及成本的降低。冷库和运输对温室气体排放的贡献很大，通过使用基于pcm的存储解决方案可以大幅减少温室气体排放。

烷烃，也称为石蜡，是一种已经达到商业化并进入市场的PCM。烷烃的变相焓好，相变稳定，过冷性低。烷烃也可以与金属一起使用，这使得它们作为pcm具有吸引力和卓越性。它们的缺点包括来源不可再生、导热性差、与塑料等材料不相容。烷烃在相变化材料中作为纯组分和共混物进行了深入的研究，因为它们具有吸引pcm的性质。共晶和同熔固溶体是提出的几种最佳共混组合物之一。然而，对该共混物的一些评价显示了同一体系的不同相图。该体系滗析了十六烷(C12H26-C13H28)，在制冷应用中，存在很大的冻结风险。并且是具有重大差异的相图的一个例子。这个系统被开发为一个纯粹基于液相线的温度升高系统。另一项研究的详细相图表明，它是一个部分共晶和共晶的同构体系。

该表列出了文献中记录的高纯度十二烷(C12H26,Carbon12)和十三烷(C13H28,Carbon13)的晶体学和热性能。即使是烷烃也有有序的三斜熔融相，C12也是如此。这个相用字母TP表示。旋转无序的正构相，也在C13中发现，用字母RI识别，是奇数烷烃熔化的地方。纯C13在较低温度下也表现出正交菱形多晶相。这种纯组分性质在检查共混物时至关重要，因为它们会影响相图。Yilmaz等人(2009)利用差示扫描量热法产生的冷却曲线研究了C12-C13系统，恒温浴(DSC浓度，然后急剧下降，用于计算系统的开始(开始)冻结)。12-C13相图的最高温度出现在-3.0~-5.0℃，焓为126kJkg-1,C13的组成为80.6%w/w(78.70mol%C13)。通过DSC发现，相似的体系是相对同构的，在大约17mol%C13和-17.0°C时为共晶，在大约相同的温度下为共析。他们没有透露他们的相图计算过程。纯组分和两种共混物(30%和50%mol%C13)以及热特性和晶体学都涉及到。纯碳13与30%和50%摩尔%的碳13在相同的温度下熔化。相变峰的起始/偏移量的可用相边界选项没有指定。相图具有不连续的相边界，这就是为什么在那里显示共晶等温线和求解曲线的原因。

       该评估的详细方法已在其他地方说明，但在公开文献中无法获得。此外，发表的不是共晶焓，而是包含50%和30%摩尔C13的组合物的熔化焓，预测每个组合物的熔化焓为146kJkg-1。为了研究适合冷冻目的的相变材料组成，需要对C12H26-C13H28体系的平衡相进行彻底的分析。本研究的目标是通过使用温度历史方法评估所有热性能来全面建立其相平衡。只有在全面识别C12-C13相图像后，才能解释系统在提供适合PCMs的组合物方面的潜力。多晶相变化的优先级较低，因为研究的主要重点是系统的固液相移，这是PCMs的定义。

辛酸

     在本研究中，辛酸被推荐和首选用于储存热能，因此有必要在冷冻或熔化时测试LTES系统的操作性能。PCMs加热和冷却过程的温度曲线如下所示。在5°C左右，辛酸和复合PCMs开始熔化。辛酸和复合PCMs的温度随着过程的进行而升高，这种模式一直持续到PCMs融化。辛酸和0.5wt%CuO、ZnO、Ag和GO复合PCMs分别需要7370、6990、6380、5810和5520秒才能完全熔化。与辛酸相比，使用0.5%CuO

、ZnO、Ag和GO复合PCMs的完全熔化时间分别减少了5.43%、15.51%、26.85%和33.51%。

 在辛酸中加入纳米材料可诱导复合PCM在熔融过程中导电，从而改善对流换热。如图所示，复合PCMs和辛酸都在23°C冷冻。随着过程的进行，PCM的温度下降，这种模式一直持续到它们达到最低冰点。与辛酸PCM相比，由CuO、ZnO、Ag和GO组成的0.5wt%复合PCM的完全冷冻时间分别为7840s、7420s、6940s、6510s和5830s。与0.5wt%CuO、ZnO、Ag和GO的复合PCMs相比，完全冻结的时间分别缩短了5.66%、12.96%、20.43%和34.47%。辛酸纳米颗粒通过增强传导，加速了冷冻过程。更好的导热性也是复合PCM增强传热率的结果。在制造过程中，重量为0.5%的GO复合PCM比其他复合PCM更快地储存和释放能量。因此，它可能是储存低温热能的一个很好的选择。

辛酸结果

在30°c下

图5  温度分布

图6  总热通量在40°c下

图7  温度分布

图8  总热通量在50°c下

图9  温度分布

图10   总热通量

在60°c

图11  温度分布

图12   总热通量

采用T-History方法研究了正十二烷(CH3(CH2)16CH3)和正十三烷(CH3(CH2)11CH3)的纯度，以及5、10、11、15、17、7、20、25、30、40、50、60、70、81的Carbon12-Carbon13共混物的纯度。和90mol%Carbon13(1.30mol%)膨胀，通过大力摇动相应重量的混合混合物产生不确定度，这些以与参考相同的比例添加到T-HistorySS试管中。它们的重量为7.10至7.73克(0.040g增加了不确定度，置信度为0.950)。参考材料由坚固的不锈钢(SS)制成，重144.810.040克，与样品测试管具有完全相同的几何形状。生成的Carbon12-Carbon13混合物和纯成分试管，连同参考，在连接热电偶和HT-Armaflex绝缘后，存储在SS容器中。然后在温度可编程的气候室中进行五次热循环。在-28.55°C和+10.3°C之间，该加热或冷却循环以0.2°Cmin-1的速率进行，同时在每个端点温度下保持等温5.5小时。使用具有相同和相关几何形状的样品碗中的热值参考，T-history方法将材料的未知热学和其他特性与参考材料进行比较。总电容要求必须通过保持Bio值低于0.10来满足，T-history评估才是合法的。

 在多元醇测量之前，使用蒸馏水的基准研究来验证T-history设置。使用的烷烃是十八烷、十二烷和十三烷。蒸馏水测试的温度曲线是相等的，相似的，证明了隔热层是相同的。另一方面，烷烃测试支持焓推导，并表明测量的聚变焓(不确定度提高到10%，置信度为0.95)与已发表的数据一致。参考试管和不锈钢试管均采用不锈钢SS316，其比热为0.50kJkg-1K-1，导热系数为16.20Wm-1K-1。使用经过校准的t型热电偶，其扩展温度范围为0.40°C，置信度为0.950，用于记录温度读数。用纯水和十八烷的基准实验验证了T-history构型。蒸馏水实验的温度曲线证明了隔热层是相同的。测定的十八烷焓与文献报道的值相似，支持T-History验证的评估(扩大不确定度约为10%，置信水平为0.956)。

正十二烷的结果

在30°c下

图13  温度分布

图14  总热通量

在40°c下

图15  温度分布

图16  总热通量

在50°c下

图17  温度分布

图18  总热通量

在60°c下

图19  温度分布

图20  总热通量

       棕榈酸十六烯酸，通常被称为棕榈酸，棕榈酸是最著名的饱和脂肪酸之一，存在于动物和其他生物中。棕榈酸的化学式为CH3(CH2)14COOH，是一种白色固体，在63.6℃时熔化。它可以在棕榈油中找到，但它也可以在牛奶黄油、奶酪、牛奶和肉类等产品中找到。       棕榈酸的盐类称为棕榈酸酯。在生理pH值下，阴离子是这种酸的主要形式。棕榈酸是脂肪生成过程中合成的第一种也是最重要的脂肪酸，它可以生成更长的脂肪酸。棕榈酸酯与乙酰辅酶a羧化酶(ACC)形成负反馈回路，在上升的酰基链上将乙酰acp转化为丙二酰acp，抑制棕榈酸酯的形成。棕榈酸酯是一种抗氧化剂和维生素A成分，被添加到低脂牛奶中，以替代乳脂去除后失去的维生素A含量。为了在牛奶中制备稳定的维生素A，棕榈酸酯与维生素A的酒精形式视黄醇有关。第二次世界大战期间，棕榈酸衍生物被用来制造凝固汽油弹。十六烷基醇是通过还原棕榈酸生产的。

      棕榈酸可以生成更长的脂肪酸，棕榈酸是脂肪生成时代最早合成的脂肪酸之一。

棕榈酸测定结果

在30°c下

图21  温度分布

图22  总热通量

在40°c下

图23  温度分布

图24  总热通量

在50°c下

图25  温度分布

图26  总热通量

在60°c下

图27  温度分布

图28  总热通量

表列结果

表1   30°C处理结果

表2   40°C的结果

表3   50°C的结果

表4   60°C的结果

04  图结果

图29  温度分布和热通量 PCM在300下的比较

图30   50℃时PCM温度分布和热流密度对比

图31   60℃时PCM温度分布和热流密度对比

05  结论 

我们从项目一开始就比较了三种相变材料。我们可以通过柱状图得出结论，辛酸比其他材料效率更高。主动冷却是一种有效且高效的方法，可以将热量保持在电池中。辛酸，n-十二烷和棕榈酸被选为热管理的三种PCM。利用ANSYS稳态热分析对不同材料在不同温度下的热系统进行研究。对结果得到的温度进行了比较和确认。随着储液面积的增大，冷却性能不断提高。边界距离对冷却性能的影响较大。与其他材料相比，辛酸具有很强的冷却能力，其传热速率同样在可接受的范围内。最后，为了消除电池的热量，我们必须开发更多。因为电池的功率密度每天都在增加，换热率也在增加。我们需要更多的方法和思路来解决这些挑战。

  

END

本期编辑|甘昊文

                审      核|何藤升、王艺霖    

文献来源:

Deepan Kumar, S., Vishnu Ramesh Kumar, R., Dinesh Kumar, D., Manojkumar, R. et al., “Design and Thermal Analysis of Battery Thermal Management System for EV,” SAE Int. J. Advances & Curr. Prac. in Mobility 6(4):2185-2194, 2024, doi:10.4271/2023-28-0087.