电池液冷系统的设计终稿讲解文档格式.docx
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Keywords:
Liquid-cooledcoolingsystem,batterystructuraldesign,strengthcheck
第一章 绪 论
课题的背景和意义
为缓解日趋严重的城市环境(尤其是大气)污染和不可再生能源的枯竭,全球气温上升的危害加剧等问题的不断加深,电动汽车已经成为汽车行业的热门话题。
各国政府和国内外汽车企业都普遍认识到电动汽车产业发展的重要性和紧迫性。
发展电动汽车从根本上解决汽车产业涉及上述问题最佳解决途径。
最终实现汽车能源动力系统的电气化,推动传统汽车产业的战略性转移。
目前,电动汽车发展的仍然存在诸多的技术瓶颈有待解决或突破,如电动汽车电池问题、安全问题、电机驱动及传动技术、控制技术、汽车轻量化、车体外形设计、电动车标准、充电站基础设施建设、以及电动车成本以及销售方面等方面。
尽管存在诸多问题,但是电动汽车产业发展已成为一个必然的发展趋势。
1.1课题的提出
动力电池是电动汽车的力量之源,它不仅为电动汽车的驱动电机提供电能,将通过驱动电机将电能转化为机械能,通过直接或间接(传动装置)驱动汽车车轮,而且还为汽车上的其他辅助设备以及娱乐设备提供必要的电能。
根据电池对电能的储存方式和工作原理,动力电池可以分为一次电池、二次电池、燃料电池、储备电池。
就目前研究和使用状况来看,二次电池盒燃料电池在电动汽车上应用的最为广泛。
二次电池中包括铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂电池、锂离子电池等。
其中镍氢电池具有无污染、大功率、高蓄能、重量轻、循环使用寿命长而体积小的优良特性,同时还具备无记忆效应的优点。
动力电池安装到电动汽车行驶过程中,电池的工作状况和使用寿命不仅与电池本身的结构和原理有关系,而且与其工作环境有密切联系。
恶劣的外界环境和错误的使用的方法都会给电池本身产生极大的危害,严重时导致电池无法正常工作,此时需要为电池设计管理系统,以实现对电池组的监控、管理、保护和报警等功能,实现电池的自动维护,从而提供电池组的使用效率和使用寿命。
本课题主要是针对电动汽车(客车)电池包长时间工作在比较恶劣的热环境中,将降低电池性能,缩短电池使用寿命,同时电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块之间性能的不均衡。
电动车行驶过程中,镍氢电池处于不断的充放电状态,同时电化学反应的过程,所以电池在该过程会产生大量的热量,然而电池的性能受气环境温度(镍氢电池的最佳工作温度为20°
~40°
之间,模块间的温度在5°
以下)因素的影响极其的敏感,因此需要一套热管理系统对其进行恒温控制。
当车辆在交替变换的复杂的工况下行驶时,电池的放电的倍率随之改变,相应的电池生热效率也有所不同,再加上时间的积累以及个单体电池的温度的差异性使电池中热量不均匀的聚集,从而导致电池组中运行环境复杂多变。
再者在低温环境下,电池内部的电化学反应由于受温度影响也不能正常的运行,需要对电池组进行加热。
因此为了能使电池充分发挥其性能的优越性并延长电池寿命。
本课题主要是设计电池组热管理系统的机械结构层面来解决电池包热管理问题---即合理的设计电池包的散热/加热系统的结构。
1.2课题的研究意义
电池包的热管理是电动汽车在所有气候条件下有效运行必不可少的辅助系统。
电池液冷系统是电池包热管理的一个核心的机械部分,其良好的设计理念对整个系统乃至整个电动汽车的发展都有实质性的突破。
优秀的设计方案不仅能提高电池包的散热效率,减轻汽车的重量,还能更好的保证电动汽车的安全性和使用寿命。
动力电池液冷系统是电动汽车电池管理系统的一个重要组成部分,散热、加热高效均匀,结构简单简洁,价格适中且实用的电池液冷系统不仅为电动汽车电池组提供一个安全稳定的工作环境,还可以降低电动汽车的成本,对电动汽车的产业化,市场化发挥重大的作用。
1.3电动汽车电池包国内外的研究现状
电池包作为汽车上的动力源,为电动汽车提供电池包作为汽车上的动力源,为电动汽车提供运行所需的能量。
除了选取合理的电池,还要设计合理的结构装载电池,同时能够有效地监测管理电池的运行,从而保证电动汽车的正常运行。
根据电动车辆类型的不同,电池包的结构设计、所装载电池的选取、以及管理系统的设计都大不一样。
目前国内外都在积极地研发合理的电池包,提高电动车性能。
除了需要电池研发专家提高单体电池的性能,也需要我们合理的设计电池包结构装载电池组以提高电池成组后性能,保证电池组能够适应车辆的实际运行模式,尽可能的是电池单体处在最佳的运行环境中使用并且能发挥其最佳性能。
随着镍氢电池技术的发展,使得以前制约电动车发展的蓄电池的性能基本上能满足电动车的行驶需要。
镍氢电池的比能量有了很大提高,生产电池的材料与蓄电池的结构也取得了很大进步。
使用新型电池的电动汽车的加速性能完全能达到或超过今天燃油车的高水平。
但是目前研究和试验表明单体电池串联或并联形成电池组后,其性能出现急剧的衰减,导致单体电池无法发挥出其本身的最佳性能。
此外,基于目前老旧类型的电池的充放电技术,以及缺乏管理系统使得电池包性能受影响颇大。
电池的一致性是很大的问题,能量上存在很高的回收率,且生产工艺的差异性,电池本身之间就存在着差异,电池的容量和充放电性能均存在差异。
电池成组后,电池组内电池性能不一致,随着时间的推移和使用次数的增多,电池间的差异越来越大,由于电池一致性较差最后导致电池组整体性能大幅下降。
因此国内外目前除了在加紧研发新型电池技术外,还在积极的研究电池管理系统。
其中很重要的就是电池包的热管理系统,以及SOC估计这两项核心技术。
因为电池管理系统就是基于SOC估计以及电池热管理技术上的。
从而来提高电池的一致性,增加电池包的寿命和性能。
其中电池包热管理对于电池的一致性影响较大,目前在电池包的设计中关注较大。
目前电动汽车的散热方式中,根据不同关系有不同的划分方式。
根据电池与外界环境的关系,将冷却方式划分为主动冷却和被动冷却。
现在的研究中,被动冷却系统是主要的散热方式,但是电池处在变化的环境加上电池本身的影响,电池受外界环境影响很大,只能在某种程度上缓解电池的散热情况;
主动冷却方式可以根本上摆脱外界环境对其产生的影响,可以按照电池需要设置电池的工作环境,可以保证合适的工作温度。
美国再生能源实验室做了许多有关电动车能源储备的研发,并针对电动车适用的镍氢电池做了相当多的研究和实验。
并且运用相关计算机辅助工具和实验来分析研究电池包的各种性能。
同时也特别针对电池包热管理方面做了很多的研究。
除了考虑到散热设计,还考虑到电气设计/分析与控制。
美国能源实验室对电池的计算电气模型进行了简化,已经开发出电池模型用于仿真计算。
正在开发综合性的计算机辅助工程软件工具来推进电池包结构的合理设计。
通过资料记载和有关信息表明,目前国外许多著名汽车厂商或电池厂商对动力电池本身特性、原理和电池的管理系统(热管理系统和电池组管理)的研究投入的力度较大。
国外研制高功率镍氢电池的公司主要有日本三洋电机株式会社、松下EV电池公司、美国的Cobasys公司、德国的Varta公司和法国的Saft公司等。
另外,日本的蓄电池公司、古河电池公司、东北电力公司、汤浅公司及韩国的现代汽车公司等都在积极的研发电动汽车动力电池。
随着国外电动汽车的迅猛发展,我国电动汽车产业的发展也开始发展起来。
在我国科技工作者的共同努力下,中国电动汽车用镍氢电池的技术正日趋成熟。
中国很多单位一直从事电动汽车用镍氢电池的研究,中科院上海微系统与信息技术研究所长期从事镍氢电池及相关材料的研究与开发,北京有色总院、中山电池公司、湖南神州科技、春兰集团、鞍山三普等单位均从不同的角度做过大量积极有益的工作,均取得了很大的进展。
与锂离子电池相比,从1992年发展至今的镍氢电池被认为是“成熟”的技术,但目前仍有不少因素制约其实际运用,包括高温性能、贮存性能、循环寿命、电池管理系统、热管理和价格等。
上述不确定因素和技术瓶颈导致电动汽车无法顺利的实现大面积的普及和推广。
但是就目前情况和实际调查研究显示,电动汽车电池的热管理技术还有待加大研究的力度,在混合动力汽车HEV上普遍采用的空冷技术且发展的相当成熟。
由于纯电动汽车采用电池作为唯一的动力源,电池发热量和速率均比混合动力汽车高,采用风冷很难控制电池的环境温度,而液冷技术复杂性,其并未得到很大的采用。
所以设计出高效而结构简单并实用的液冷散热系统需要科研工作者做出更大的努力,为电动汽车的发展贡献一己之力。
第二章动力电池冷却技术简介
2.1镍氢电池的特点
镍氢电池的正极采用金属氢氧化镍,负极采用的是锡氢合金。
镍氢动力电池具有无污染、大功率、高必能、重量轻、循环使用寿命长而体积小的优良特性,同时镍氢电池不含有镉、铅等有毒重金属。
镍氢电池的主要特点:
◆质量比功率高:
目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350Wh/kg.
◆无污染,不含铅等对人体有害的重金属,是21世纪的“绿色能源”。
◆耐过充过放
◆无记忆效应
◆循环次数多:
目前应用在电动车上的镍氢动力电池,80%放点深度(DOD)循环可达1000此以上,为铅酸电池的3倍以上。
100%DOD循环寿命也在500以上
◆使用温度范围宽:
正常的使用温度范围-30~50℃;
贮存温度范围也在-40~70℃
◆安全、可靠:
短路、挤压、针刺、安全阀工作能力强、跌落、加热、耐振动等安全性试验无爆炸、燃烧情况
综上所述镍氢电池作为电动汽车的能源是比较理想的,同时随着能源枯竭和动力汽车的不断发展,镍氢电池的技术越来越成熟,镍氢动力电池的发展前景是可观的。
2.2MH/Ni电池模块工作时的发热量
MH/Ni电池充放电过程是由主、副反应组成的一连串的化学反应。
充电时,电池的上述两种同时存在,且均为放热反应,其中充电前期发生主反应,放出大量热量,电池温度逐渐升高;
后期主副反应同时存在,此时温度上升的速度明显加快;
放电时,主反应是吸热反应,副反应时间极短,可以忽略不计。
电池的单位发热量按式
(1)、
(2)计算
(1)
(2)
上两式
(1)、
(2)中,
和
分别代表充电和放电的发热量,I为电流,
为电池的内阻。
,电池生热量与电流和电池内阻有关。
电动汽车在不同运行状态下,电池的工作状态不同,生热速率也不同。
电池产生热量的主要由电池的种类、电池的工作状态、电池SOC(荷电状态)及电池的工作环境等。
主要是因为电池生热率受工作电流、内阻(由
(1)、
(2)式)及荷电状态相关。
2.3主动系统和被动系统
主动系统和被动系统的区别主要在于是否额外的增加能耗性设备辅助电池包的散热/加热系统。
被动系统由于无需采用额外的设备,一般通过自然风冷的形式,所以其成本较低且结构简单,在早期的电动汽车上应用的比较广泛。
随着电动汽车的不断发展,电池包容量的增大,仅通过电池包本身周围空气传热已无法满足电池的散热量,并且无法对电池加热,满足汽车的需要。
因此,电池包开始采用主动形式的散热/加热系统或者主被动结合使用,能够灵活利用能量的流动,更大程度上减小能量的损失,只是结构上复杂一些。
2.4电池包的散热技术
电池散热是源于电池本身的机理所决定的,电池在充放电的过程中发生的是电化学反应,在此过程中必然会伴随着放热和吸热的过程。
但是由于电池包的结构和安装位置的局限性以及电池工作环境的复杂性,电池产生的热量不能及时扩散,所以电池包有必要采取必要的散热技术来解决此问题。
目前应用的主要的散热技术有空冷、液冷、冷板散热、相变材料或热管储热、空调冷却等方式。
2.4.1空冷
空冷是目前电动车或混合动力汽车上应用最广泛的散热方法,也是最成熟的方法。
其基本原理就是通过风扇运行产生强制气流或者利用汽车前进中迎面风。
与其它方法相比,空冷结构相对简单、安全、维护也较方便。
日本丰田公司的混合动力汽车Prius和本田公司的Insight均采用的空冷方式。
目前空冷通风散热方式有串行和并行两种方式(如图2-1)。
图2-1
上述两种方式很难避免会出现空气流量的不一致性,同时冷却效果会随着气流的运动,流体和电池的温差逐渐减小,热交换能力逐渐减小,冷却空气的温度不断升高,导致冷却效果的变差。
同时,不同的电池单体在制造过程中会出现一定的差异性,其发热能力的存在差异性,而且由于空气与固体的导热系数相比其他方法也是较低。
2.4.2液冷
液冷就是利用导热率相对较高的液体间接或直接的接触电池实现固体与液体间传热方式来降低电池温度的方法。
液冷氛围直接接触式和间接接触式两种。
间接接触式的液冷系统中,液体在管道内流动,通过翘片等于电池直接接触,将热量通过翘片传递给冷却管道内的液体,从而将电池的部分热量带走,达到冷却电池的目的。
由于液体是密封在管道内,所有绝缘的要求相对要求低一些,且没有流速限制,所以可以选用导热率高但是电绝缘性不好的液体,换人效果非常好。
但温度的均匀性要差一些。
为了防止泄露造成的短路,这种方法的密封性要求非常高。
直接接触式的液冷所采用的是电绝缘且热导率高的液体(例如硅基油、矿物油等)直接接触单体电池或电池模块。
它能够很好的解决电池温度均匀性的问题,但是由于液体的绝缘性非常高,所以该液体的黏度较大,所以液体在电池包流速较低,从而也从一定程度上限制了换热效果。
液冷方式对电池包热交换效率很大程度上取决于液体的热导率、粘度、密度、液体流速、流体流过电池的方式以及流体与电池的接触面积。
液冷方式的主要优点是:
◆与电池壁面间的导热系数高,冷却和加热效果好;
◆体积较小。
对于纯电动汽车和串联式混合动力汽车,电池组作为主要的动力部件,生热量大。
对于生热量大的动力电池,若想获取较好的散热方式,液冷方式不愧为最佳方式之一。
液冷方式的主要缺点是:
◆结构相对复杂,系统的质量相对较大,需要增加额外的辅助部件;
◆密封性要求较高,存在漏液的可能,并且维修和保养复杂。
目前此技术还不是很成熟。
整体式的液冷系统(特别是电池模块多的电池包)不但能使电池整体的散热效果,还能实现单体电池间温度均匀分布,对电池容量均衡控制也有一定的帮助。
2.4.3冷板散热
其实质采用高导热材料直接贴在电池表面,能够很好地强化聚不散热,在模块间使用冷板可以提高散热的效率及模块间温度的均匀性。
我们可以根据实际情况设计冷板的尺寸和形状,但由于冷板的使用会增加成本和体积,我们可以考虑在重点发热区使用此方法。
2.4.4相变材料与热管
相变材料是随温度变化而改变形态而改变形态并能提供潜热的物质。
相变材料正是通过相变的过程吸收或释放大量的潜热。
热管则充分利用了热传导原理与致冷介质的快速传递性质,通过热管将电池表面的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何一支金属的导热能力。
相变材料与热管的结合实现了电池热量的交换,从而保证电池温度处在动态的稳定范围。
热管是一种密封结构的空心管,一端是蒸发端,另一端是冷凝端,管中充满蒸发时恩能传递热量的液体和冷凝时将液体带回吸液芯。
因此热管是一种效率很高的热传导器。
其最大的优点是保证电池包能在任何温度下工作。
第三章电池包的设计流程
3.1电池包设计的要求
为达到对电池进行能量管理的目的,单体电池必须装配在一个整体的密封箱体内,同时该箱体还应保证密封,该箱应具备一定的条件和要求:
1.电池箱体必须是密封的。
除必要的液体出入口外不能与外界相通。
密封箱体内的要求主要考虑电池冷却液额流动问题,不许在某处泄露,从而避免冷却液体的流动性差导致单体电池工作温度的不一致,致使电池性能的降低。
2.电池箱体的形状应达到与单体单体电池模块的形状相适应。
当冷却系统工作时,液泵提供的液流量能均匀的流过每个单体电池周围,箱体内不能形成液流的“死区”和涡流的存在,保证电池单体工作过程中温度均匀,尽可能的控制电池性能的一致性。
这也从根本上防止了个别单体电池寿命的缩短。
3.电池箱体应能保证冷却液体与电池的绝缘,车身与箱体绝缘,防止存在电池与外界接触可能性而存在安全隐患。
4.单体电池的质量达到6.4Kg/块,将电池单体整合后其质量将达到数吨,如此大的质量必然对箱体的强度、刚度和疲劳性具有一定要求,必然对其进行强度校核
5.单体电池的通气孔保证在电池液面上方,保证电池工作过程中正常的换气而不影响电池性能的发挥。
6.如何设计不燃绝缘冷却液在电池箱体中的液流方向使得冷却效果达到最佳,其中关键是让更多冷却液接触电池表面。
综上所述,箱体零件在一台机器中占有很大的比例,同时在很大程度上影响着机器的装配精度和抗振性能等。
正确的选择箱体零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸,是减小机器质量、节约金属材料、增强机器刚度的重要途径。
3.2电池包设计的流程
电池包相关的参数确定之后,根据电池的形状、性能参数、车身的空间布置等来确定电池包的结构形状和冷却形式。
除了满足上述功能性的参数后,还需从箱体工作性质校核箱体的刚度、强度,设计其制造精度。
电池包的设计流程图如图3-1所示:
图3-1设计流程图
3.3电池包参数的确定
根据电动公交车的内部空间和电动车的功率的需求,我们采用的是开关磁阻电机。
通常我们要以公交车的最高车速为基本条件来选取驱动电机的功率。
而电机的转矩越大,则电动车的整车爬坡性能越高;
电机的转速越高,则电动车的最高车速越大。
动力电池的选型需要综合考虑电动车的整车性能和动力系统的匹配。
本论文课题采用的是某新能源科技有限公司生产的高性能镍氢动力电容电池-NMCH300S。
该电池的性能参数如下表3-1所示:
表3-1电池性能参数
电池类型
动力镍氢电池
电池标称电压
1.2V
电池容量
300Ah
电池重量
6.4Kg
工作温度
-45~55(℃)
循环寿命
10000(次)
最大充电电流
6000(A)
最大放电电流
9000(A)
本课题采用的镍氢电池组的参数如表3-2所示:
表3-2电池组的组合参数
连接方式
串联
散热方式
液冷
单体电池数量
30
编组方式
3.4电池包型材的选择
对于本课题所设计的电动客车电池包(液冷形式),由于电池包处在的工作环境非常复杂。
电池的质量决定了电池包的强度和刚度足够大;
车辆在行驶过程中出现加速减速转弯等,电池包具备一定的冲击能力和耐疲劳特性;
此系统采用的液冷形式,需与绝缘冷却液接触,材料还需抗腐蚀能力;
电池箱体在制造的过程中,制造工艺上还需具有良好的焊接性能;
考虑到车辆的整体质量和成本,经济性的情况下尽可能减轻箱体的质量。
通过查询《机械设计使用手册》,比较各种材料的特性和用途,采用硬铝合金2A12(原LY12),其切削加工性能在失效状态下良好,耐腐蚀性中等,焊接性能好,适宜做高载荷零件和构件。
因此,此材料是不错的选择。
3.5电池包结构形状
箱体常采用的截面形状有矩形、空心矩形、空心圆形、工字型。
在面积相等时,
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- 电池 系统 设计 讲解