新一代液冷电池包制冷和加热系统实验平台研发

冯能莲， 陈龙科, 邹广才

(1. 北京工业大学 环境与能源工程学院， 北京 100124； 2. 北京汽车集团有限公司， 北京 101300)

新一代液冷电池包制冷和加热系统实验平台研发

冯能莲1， 陈龙科1, 邹广才2

(1. 北京工业大学 环境与能源工程学院， 北京 100124； 2. 北京汽车集团有限公司， 北京 101300)

针对锂离子电池在高温条件下散热和低温条件下加热的新一代液冷热管理系统，研发了电池包制冷/加热系统实验平台。根据新一代液冷电池包的结构特点，在完成实验平台总体结构设计和关键部件选型的基础上，完成实验平台搭建。实验平台通过供液系统、制冷系统、加热系统、信号测量与数据采集系统，可以实现液冷电池包的热特性实验，为后续电池热管理系统的研发提供理论依据和技术支持。

热管理系统； 制冷和加热； 实验平台； 液冷电池包

动力电池作为电动汽车的主要能源形式,一直是众多生产、研发单位争相投入的热点,其性能直接影响到电动汽车整体性能[1-2]。锂离子电池相比其他类型电池,在能量密度、功率密度和使用寿命等方面具有较强优势,成为目前车用动力电池的主流,但电池在高温环境中使用以及大电流放电时自身温度迅速升高,会影响电池的诸多性能参数,如内阻、开路电压、SOC、充放电效率和使用寿命[3-4],甚至引起燃烧、爆炸等安全问题。另外,在低温环境中(如-10 ℃或以下),大多数电池的能量和功率都会降低,车辆性能严重衰退[5]。温度过高或者过低都不利于动力电池的性能发挥[6],为此,对动力电池进行有效的热管理是亟待解决的问题。

1 电池冷却和加热方式简介

目前,国内外常见的电池冷却方式有空气冷却、液体冷却以及相变材料冷却。空气冷却结构简单,成本较低,但冷却速度较慢,在发热量变大时,入口和出口处温差较大,导致电池温度分布不均匀；相变材料冷却效果好,但维护要求及成本高,而且在车用中由于振动和重力作用可能导致材料分布不均,而使温度分布不均,在大工况下还需要将相变材料所吸收的热转移到外界；液体冷却结构相对复杂,但换热效率高,散热效果明显,冷却效果快,电池温度分布相对较均匀[7-8]。

常见的加热方式主要为内部加热和外部加热,内部加热通过交流电加载到电池正、负极上对电池进行加热；外部加热主要有气体加热、液体加热、加热板加热、加热套加热、帕尔贴效应加热[9]。综合考虑实用性及加热效果,采用液体加热方式。

液冷电池包以美国Tesla的微管冷却最具代表性,发展至今,共有两代产品：第一代为直管,第二代为蛇形管。但由于微管与电池的接触面积有限(即使是蛇形管,与圆柱状电池的接触区域也仅20°),因而其冷却效果并不十分理想。为增加冷却液(循环介质)与电池包的换热面积,强化换热效果,开发了新一代360°冷却液环绕的液冷电池包。为检验新一代液冷电池包的热特性,研发了新一代液冷电池包制冷/加热系统实验平台,本平台除可实现电池包的冷却、加热等实验之外,还可与文献[10]的系统相融合,实现功能拓展,从而可为教学实验和工程实践提供一个构成灵活、内容丰富、功能多样的开放式平台。

2 实验平台方案

为给液冷电池包提供一个具有冷却和加热功能的实验装置,以保证被试单体电池处于最佳工作温度范围,避免单体电池、电池模块和电池组整体或者局部温度过高,采用图1所示方案。实验平台由液冷电池包、供液系统、制冷系统、加热系统、信号测量(传感器)与数据采集系统、配电系统等构成(图中未示出)。

图1 新一代液冷电池包制冷(加热)系统实验平台构成示意图

液冷电池包中布置有若干个电池腔,电池腔的腔壁为导热性良好的材料,电池腔间的空隙充满冷却液,从而形成对电池腔的360°环绕。外面包裹着导热绝缘套管的单个柱状电池置于电池腔内。为了便于研究,将电池包内的电池编号,从上到下、从左至右依次为1#—9#。整个液冷电池包密封包装,外敷绝缘防火隔热层,并设有液体的进口和出口[11]。当仅研究液冷电池包的热特性时,其电池可由加热管(等效电池发热的原件)代替，从而既节约了实验时间(省略了电池充放电时间),使得整个实验系统操作简便、安全；又降低了实验成本。

实验平台包含两套循环系统,其中之一为供液系统,主要包括循环水泵、储液箱以及循环介质。选择腐蚀性低、传热效率较高、成本低的乙二醇水溶液作为循环介质,循环水泵将循环介质泵入电池包内,达到对电池降温或加热的目的。

实验平台的另一套循环系统为制冷系统,主要包括冷凝器、压缩机及其控制器、冷凝风扇、毛细管以及蒸发器。循环介质被制冷系统中的制冷剂冷却。将加热棒置于储液箱内加热循环介质并由供液系统实现电池的加热功能。

信号测量与数据采集系统主要包括流量计、压力传感器、温度传感器、数据采集卡以及计算机等。计算机通过数据采集卡采集整个系统中冷却液的流量、压力以及温度。

3 实验平台构建

实验平台见图2。根据设计要求,经制冷量计算以及其他关键部件的选型和匹配,确定各组成部件的主要性能参数见表1。

图2 新一代液冷电池包制冷/加热系统实验平台

表1 新一代液冷电池包制冷/加热系统实验平台组成部件主要参数

压缩机采用微型直流变频压缩机,冷凝器采用高效平行流式换热器,冷凝风扇采用轴流式风扇,蒸发器采用高效不锈钢板式换热器。在电池包的进口和出口处布置电磁阀,可以实现电池包的保温功能。

4 实验平台功能

4.1 电池包制冷实验

电池包温度过高时,起动压缩机,制冷系统运行,循环水泵将储液箱内的循环介质输送至制冷系统的蒸发器内进行冷却,经冷却后的循环介质通过塑料管输送至电池包中,电池包内的热量通过冷却后的循环介质被带走至储液箱内,这样形成了2个循环,即压缩机—冷凝器—毛细管—蒸发器之间的制冷剂循环和蒸发器—电池包—储液箱—循环水泵之间的介质循环。具体的实验步骤：在环境温度下,开启加热管工作,温度升高到60 ℃时,起动压缩机,系统运行10 min,记录电池包内所选取的加热管的温度数据以及进出口循环介质的压力和流量。

4.2 电池包加热实验

低温环境下,制冷系统不运行,起动加热棒,将储液箱内的循环介质加热后,通过循环水泵和塑料管道输送至电池包中,对电池包进行加热后的循环介质流至储液箱内进行再次加热,从而形成了电池包—储液箱—循环泵之间的介质循环。具体的实验步骤：在无强制冷却的自然环境中起动储液箱中的加热棒,打开循环水泵,记录1h内电池包中所选加热管的温度数据。

4.3 电池传热特性实验

当电池包内某一电池温度突然升高时,会对该电池周围的电池造成相应的影响。为研究电池包内相邻电池间的传热速率,进行传热特性实验。选取电池包内相邻的2个加热管为研究对象,在二者中心的连线上紧挨加热管处布置2个热电偶。具体的实验步骤：室温下,一个加热管工作10 min,另一个不工作,让电池包内充满介质,记录两个热电偶的温度数据；将电池包内的冷却液放空,重复上述步骤。

4.4 电池包保温实验

保温系统是为满足短期内电池系统内部温度热环境在正常区间内而设[12]。将电池包外敷保温材料以起到隔热的作用,防止电池包的内部热量过快散失。为提高保温效果,可关闭进口和出口处的电磁阀以减少电池包与外界的热量传递。

5 实验结果与分析

选取电池编号为1、3、5、6、7、9#的加热管进行温度分析,在传热特性实验中,6#加热管不工作,9#加热管工作。由于不同时间段的室温略有差异,为便于比较研究,作图时将起始温度统一设为25 ℃。实验结果见图3—图7。其中,图3—图5分别为制冷、加热和传热特性实验结果图,图6和图7为电池包进出口的压力和流量。分析实验结果可知：

(1) 制冷系统运行时,10 min内加热管的平均温降为38.66 ℃,降温速率为3.866 ℃/min,温度降到室温约需30 min,在该工况下,尽管加热管在工作,但通过液冷系统,仍能达到冷却降温的效果；

(2) 加热实验时,电池的平均温度由25 ℃上升到34.1 ℃,平均温升速率为9.1 ℃/h； 冷却液入口处电池(7#)的温度最高,冷却液出口处电池(1#)的温度最低,两者之间的温差为0.9 ℃。

(3) 电池包内有液体时,加热管之间的传热速率低于电池包内无液体的情况。有液体时,6#表面温度由25 ℃上升到37.5 ℃,温升速率为1.25 ℃/min；无液体时,6#表面温度由25 ℃上升到48.4 ℃,温升速率为2.34 ℃/min。

图3 制冷时加热管温度与时间的关系曲线

图4 加热管温度与加热时间的关系曲线

图5 加热管表面温度与时间的关系曲线

图6 进出口冷却液的压力曲线

图7 进出口冷却液的流量

6 结论

(1) 新一代液冷电池包制冷/加热系统实验平台可以实现电池在高温环境下的冷却以及在低温环境下的加热功能,保证单体电池、电池模块和电池组工作在适宜的温度范围,从而维持电池性能、延长电池寿命。

(2) 实验数据可以定性地描述实验平台的功能和性能,通过调试,系统能有效采集信号,可以作为电池管理系统中电池热管理的研究基础。

(3) 实验平台既克服了实车电池包制冷/加热教学实验成本高、用时长、受环境制约的不足,也为动力电池热管理提供了良好的原理性、功能性科学研究、技术开发、教学实验和工程实训平台。此外,可为相同或相近的电池包液冷系统实验平台的搭建和应用提供参考。

References)

[1] Arai J,Yamaki T,Yamauchi S,et al. Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles [J]. Journal of Power Sources,2005,146(1/2):788-792.

[2] Kohno K,Koshikawa Y,Yagi Y,et al. Development of an Aluminum-laminated Lithium-ion battery for hybrid electric vehicle application [J]. Journal of Power Sources,2008,185(1):554-558.

[3] 周奕,王英,黄晨东. 动力电池热管理系统及其设计流程介绍[J]. 上海汽车,2014(6):7-10.

[4] 杨国胜. 电动汽车动力电池组热管理系统研究[J]. 科技创新导报,2015,12(4):178-180.

[5] Pesaran A A. Battery thermal management in EVs and HEVs: Issues and solutions[C]//Nevada,Advanced Automotive Battery Conference.2001.

[6] Duan X,Naterer G F. Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2010,53(23/24):5176-5182.

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[8] 王珂. 纯电动汽车动力电池特性及应用研究[D]. 武汉:武汉理工大学,2011.

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[10] 冯能莲,董昊龙,宾洋,等. 电动汽车复合能源系统实验平台研发[J]. 实验技术与管理,2015,32(5):90-94.

[11] 冯能莲,陈龙科. 一种液体换热电池模块结构:中国,201521140998.1[P].2016-06-08.

[12] 徐善红,马露杰,曾祥兵. 汽车动力电池热管理系统分析与设计[J]. 科技视界,2013(26):360-361.

Development of experimental platform for new generation of cooling and heating system for liquid cooled battery pack

Feng Nenglian1, Chen Longke1, Zou Guangcai2

(1. College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2. Beijing Automotive Group Co., Ltd., Beijing 101300, China)

Based on the new generation of the hot and cold liquid management system for the lithium ion battery with heat dissipating at high temperature and heating at low temperature, an experimental platform for the cooling and heating system for the battery pack is developed. In accordance with the structural features of a new generation of the liquid battery pack, and based on the completion of the design on the overall structure and the selection of the key components, the experimental platform is established. This platform can realize the thermal characteristic experiment for the liquid cooled battery pack, providing the theoretical basis and technical support for the subsequent research and development of the battery thermal management system.

thermal management system；cooling and heating；experimental platform；liquid cooled battery pack

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.018

2016-10-01 修改日期：2016-12-02

国家自然科学基金资助项目(51075010)；北京市教育委员会重点项目(KZ200910005007)；北京工业大学教育教学研究项目(ER2011-A03)

冯能莲(1962—)，男，安徽宣城，博士，教授，主要从事新能源汽车、智能车辆、汽车电子方面的研究.

E-mail：fengnl@bjut.edu.cn

U463.63

A

1002-4956(2017)4-0070-04