不同接口形式的电池包出风试验研究

不同接口形式的电池包出风试验研究

为了应对日益激烈的燃油供应和环境污染，世界主要汽车生产国加快了新技术的开发和工业化，大力发展和推广应用了汽车节能技术。动力电池作为新能源汽车的关键零部件,其性能与寿命对整车影响巨大。电池组的热管理是混合动力电动汽车和纯电动汽车在所有气候条件下有效运行的保证。车杜兰等分析了温度对电池组性能和寿命的影响,介绍了如何设计合适的电池包散热加热系统;潘宏斌等通过仿真软件STAR-CD和ANSYS对混合动力客车的电池包散热进行了仿真分析;帅荣俊等利用红外热像仪应用技术对混合动力电动车用Ni-MH电源系统的电池和电池组进行了热平衡研究;钱舜田等应用有限元软件ANSYS对动力电池温度场进行了研究。目前,动力电池组中应用最广泛的散热方法是强制风冷散热。该方法具有结构简单、成本低和可维护性高等特点,受到动力电池系统供应商和整车厂的青睐。为适应整车实际使用的环境要求,保持电池系统温度均匀,国内技术人员设计出了多种带有风冷均衡散热结构的动力电池组,特别注重电池箱内通风散热结构的设计。由于电池种类、电压等级和容量等方面的差异,以及安装位置和安装空间的限制,电池包的结构和进出风接口形式多种多样。本文通过对内部完全相同而进出风接口形式不同的电池包进行散热试验分析,研究进出风接口形式对电池包散热性能的影响。1电池包的输入风接口形式1.1电池包的布置方式对于轿车等小型车辆而言,主要将电池包布置在后备厢或座椅下方等部位;对于公交车等大型车辆而言,目前主要将电池包布置在车顶、车底或车尾等部位,车尾的布置方式又有后掀门式和车厢内部进入式等。1)车顶布置方式。该布置方式布置空间开阔,利于电池包的排布和拆装,但需要增加电池包防护罩和隔热措施,消除太阳暴晒时的不利影响;同时,整车需要增加车顶结构强度和避免超高受限。2)车底布置方式。该布置方式对整车而言相对简单,易于实施,但电池包安装不便,一般需要设计抽拉结构或里侧卡槽限位结构;同时,对电池包的防水和防尘等级要求较高,应尽量避免整车通过积水较深的区域,防止电池包绝缘失效或损坏。3)车尾布置方式。该布置方式中后掀门式安装维护相对方便,而车厢内部进入式不利于电池包的搬运,对电池包的体积和质量有所限制,应避免人员通过检修门随意进入到电池舱。汪俊等研究了新能源汽车后面碰撞试验技术,建议新能源汽车应尽量避免将电池箱体布置在后碰变形区域。1.2试验电池包出风接口形式设计电池包强制散热的风源一般来自车厢内部风或制冷空调出风,国内北方地区使用的电池包采用自然风散热,也能满足需要。车厢内部风或制冷空调出风相对洁净,清理进风接口过滤网的周期可适当延长,而利用自然风强制散热的电池包需要及时清理进风口过滤网,以免积尘较多,影响电池包散热。根据安装位置、安装空间以及强制散热风源的不同,可将电池包的进出风接口设计成多种形式。本文根据不同整车要求,设计了3种进出风接口形式的电池包,并通过试验来对比进出风接口对电池包散热性能的影响。如图1所示,试验电池包采用格栅进风形式,出风采用斜管式接口,可利用软管将出风排至电池舱外,避免热风内部循环。电池包的进风接口面积约为6075mm2,适用于引入自然风源散热的系统。如图2所示,试验电池包采用4个直管进风形式,出风接口配置风扇防护网,可利用软管将进风引至电池包内,避免热风内部循环。电池包的进风口面积约为6079mm2,其适用于引入车厢内部风或制冷空调出风散热的系统。如图3所示,试验电池包采用3个弯管进风形式,出风接口配置风扇防护网,可利用软管将进风引至电池包内,避免热风内部循环。电池包的进风接口面积约为4356mm2,其适用于引入车厢内部风或制冷空调出风散热的系统。2电池模拟系统模拟每个试验电池包内装70只40A·h功率的镍氢电池,采用并行通风散热方案,配置有管理系统,可监控7组电池模块的电池温度(如图4所示)。将3个不同进出风接口形式的电池包并排排列,串联在同一回路,利用迪卡龙检测设备,在实验室内对其进行模拟公交运营工况试验;同时,利用管理系统监控存储试验过程中采集到的温度数据。2.1电池包的最高温度评价电池包散热性能的指标主要有电池的最高温度和最大温差(电池包内部不同电池之间温差的最大值)。电池管理系统对这2项指标进行监控,其在使用过程中,一旦超过设定值就会进行预警提示,直至故障报警。电池包的最高温度过大,表明电池包内的热量不能及时散出,冷却系统需要加强或电池组需要降低功率使用;内部最大温差过大,则体现了电池包内单体电池的温度分布不均衡,需要改善冷却系统,进而提高电池温度的均匀性。2.2电源系统方案2根据随车采集的运营数据,模拟出某公交运营工况如下。1)电源系统以1C放电至210V。2)电源系统以0.5C充电至SOC为50%。3)电源系统以3.75C放电10s。4)电源系统搁置30s。5)电源系统以2.5C充电15.5s。6)搁置30s。7)重复步骤3~步骤6,循环120次,停止试验。2.3电池包的温度分布图5所示为模拟工况试验时,格栅进风接口试验电池包的温度分布情况。试验后半期已达到热平衡,试验过程中最高温度为36℃,最大温差为3℃。2.4电池包的温度分布图6所示为模拟工况试验时,直管进风接口试验电池包的温度分布情况。试验后半期已达到热平衡,试验过程中最高温度为37℃,最大温差为3℃。2.5电池包的温度分布图7所示为模拟工况试验时,弯管进风接口试验电池包的温度分布情况。试验后半期也已达到热平衡,试验过程中最高温度为39℃,最大温差为6℃。2.6弯管进风接口3种不同接口形式的电池包试验后半期均能达到热平衡,前2种电池包的最大温差值为3℃,后一种电池包的最大温差为6℃,基本达到多数整车厂家要求的指标。从电池包的温度分布看,试验中后期弯管进风接口电池包内的最低温度比其他2种电池包低,而最高温度比其他2种电池包高,导致最大温差扩大了近1倍。弯管进风接口直接影响了电池包内部通风风向走势,造成流经靠近进风接口处电池模块的风量减少,流经靠近风扇处电池模块的风量增加,使电池温度的分化加剧。为提高弯管进风口电池包的温度均匀性,同时又不影响电池包在整车上的安装和连接,可在箱体内部进风道内增加导风板,也可改变弯管进风接口的形状。改进后的弯管进风接口(其上部尺寸和位置保持不变,下部弯曲部位连接成一体构成缓冲腔)如图8所示,经试验验证,其温度均匀性已接近前2种试验电池包的水平。3出风接口方式对电池包性能的影响.1)格栅进风接口和直管进风接口2种接口形式的电池包在试验后半期均已处于热平衡状态,最大温差≤3℃,该电池包的风冷散热系统可以满足整车的实际运行要求。2)弯管进风接口电池包的最高温度和最大温差均比前2种接口形式的电池包大,最大温差值扩大近1倍,表明进出