基于數(shù)值模擬的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)
——評《電動汽車動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)》

傅 剛,黃藝?yán)?/p>

( 1. 福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 福州 350001; 2. 福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院,福建 福州 350117 )

近年來,我國的電動汽車發(fā)展趨勢強(qiáng)勁,提高電動汽車的續(xù)航里程,既需要發(fā)展電池技術(shù),也需要建立有效的熱管理系統(tǒng)。 易卜拉欣·丁塞爾等著的《電動汽車動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)》一書,聚焦于電動汽車熱管理系統(tǒng)的研究,對組成結(jié)構(gòu)、相變材料、模型建立、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性評估及優(yōu)化方法等進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并列舉了實(shí)際案例。

《電動汽車動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)》一書由8 章組成。 第1 章介紹了電動汽車的分類、架構(gòu)、儲能系統(tǒng)等相關(guān)內(nèi)容;第2 章對電動汽車電池技術(shù)以及電池管理系統(tǒng)(BMS)等進(jìn)行了詳細(xì)介紹;第3 章給出了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中使用的相變材料,并對其基本性質(zhì)做了研究;第4 章詳述了建立電池模型的方法和步驟,并通過仿真實(shí)例驗(yàn)證模型的正確性;第5 章建立了動力電池液態(tài)熱管理系統(tǒng)熱力學(xué)模型,并對模型進(jìn)行評估測試;第6 章從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行分析,并給出優(yōu)化方法;第7 章將本書建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用在實(shí)際案例中,以證明模型的有效性和可靠性;第8章分析了電動汽車技術(shù)和熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

1 電動汽車及電池技術(shù)

近年來,隨著國家相關(guān)政策的出臺及人們環(huán)保意識的提高,電動汽車的市場占有率逐漸增長,生產(chǎn)廠家也都不遺余力地研發(fā)電動汽車,以提高安全性和續(xù)航里程。 通常來講,電動汽車包括純電動汽車(AEV)、混合動力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCV)等。 電動汽車可從供電站、儲能站、車載發(fā)電機(jī)等設(shè)備中獲得電能,具有低噪聲、環(huán)保低污染、低運(yùn)營成本和均衡電網(wǎng)負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)。 電池作為主要儲能設(shè)備,可提供較高的峰值及平均功率,為車輛的運(yùn)行提供動力,但能量密度不高,導(dǎo)致續(xù)航里程受限,同時,充電速率也較慢。 為了解決該問題,科研人員將超級電容器作為能量存儲裝置。 超級電容器的電容量大、充電速率快、使用壽命長,對環(huán)境溫度的變化不敏感,常與鋰離子電池、鉛酸電池混合使用,可在降低成本的基礎(chǔ)上提高效率。 電動汽車的續(xù)航里程,受電池性能的影響較大,需要在電動汽車中加入熱管理系統(tǒng),使電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。 熱管理系統(tǒng)包括:①散熱器回路,用來冷卻發(fā)動機(jī);②電力電子冷卻回路,用來冷卻功率逆變器和電池充電器;③驅(qū)動單元冷卻回路,用來冷卻驅(qū)動單元;④空調(diào)和電池冷卻回路,用來控制電池及乘員艙的溫度。

電池作為儲能元件,在電動汽車中使用廣泛。 常用的電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。 鉛酸電池的成本低,可回收再利用,部分可以免維護(hù);鎳鎘電池放電倍率高、溫度范圍寬,幾乎無需維護(hù),但能量密度低,且對環(huán)境的影響較大;鎳氫電池的循環(huán)性能好,但成本較高;鋰離子電池使用壽命長,污染較小,使用廠商多。 為了使電池更好地工作,人們構(gòu)建了BMS 以穩(wěn)定電池性能。 BMS 可實(shí)現(xiàn)電池電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)控,具有電池充電控制、熱管理、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能,能保證電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的相變材料

相變材料(PCM)是指在相變(熔化或固化)過程中具有高熔化潛熱的材料。 在特定條件下使用的PCM,要能夠在保證溫度變化不大的情況下吸收或釋放熱能。 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為電動汽車的主要散熱系統(tǒng),要在特定條件下釋放大量的熱量,并保持電動汽車的穩(wěn)定運(yùn)行,在其中應(yīng)用PCM,可以充分發(fā)揮PCM 的特點(diǎn)。 依據(jù)換熱類型和狀態(tài)變化的不同,PCM 可分為有機(jī)、無機(jī)和共晶化合物等3 種。 有機(jī)PCM 的熔點(diǎn)通常為0～200 ℃,密度較低。 部分有機(jī)PCM 具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熔化均勻等特性,常用于熱管理系統(tǒng)中,如石蠟和鹽水化合物,適用于鋰離子電池冷卻系統(tǒng)。 無機(jī)PCM 不易燃,但易再凝固,導(dǎo)致相變特性改變。 共晶化合物PCM 在使用時,可以調(diào)節(jié)化合物的比例,以用于指定場合。 為了說明PCM 在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的使用優(yōu)勢,該書將PCM 集成到已有的液體冷卻熱管理系統(tǒng)上。 管殼式換熱器的成本較低,制造簡單,熱量損失較少,因此,利用管殼式換熱器充當(dāng)潛熱熱能存儲系統(tǒng),并將PCM 安裝在冷卻循環(huán)中,改進(jìn)原有熱管理系統(tǒng)。 此時,冷卻液在管內(nèi)流動,換熱器儲罐的外表面處于絕熱的狀態(tài),換熱效率大大提高。

3 電動汽車電池建模與測試

為了更深入地了解電動汽車電池的電化學(xué)性能,該書建立了電池模型,并通過仿真實(shí)例,驗(yàn)證模型的正確性。 基于壁面邊界條件,考慮到體積產(chǎn)熱率、初始溫度、電芯特性等因素,建立單只鋰離子電池的電芯模型;利用曲線擬合方法,比較PCM 的歸一化比熱容,選擇最適合的PCM;此外,泡沫材料、冷卻板也在電池中扮演著重要的角色,通常選擇聚氨酯泡沫作為電芯隔離器,冷卻板則以鋁制為主。 確定了材料的種類和性質(zhì)后,以偏微分方程為基礎(chǔ),推導(dǎo)出系統(tǒng)參數(shù)表達(dá)式,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個部件之間的交互。 為了更加直觀地觀察電池散熱過程,該書搭建了實(shí)際的電芯模組。 首先,將電芯進(jìn)行儀表化,以實(shí)時顯示溫度,具體步驟是將熱電偶附在電池的表面,并將冷卻板兩端連接到熱電偶和其他表面上,輔以數(shù)據(jù)采集軟件,采集電池信息。 當(dāng)電芯被儀表化后,根據(jù)熔化溫度選擇孔隙度恰當(dāng)?shù)呐菽牧?放置于電芯周圍以吸收熱量;其次,將換熱器進(jìn)行儀表化,即將熱電偶放置在熱交換器的銅管中,以調(diào)節(jié)冷卻液溫度;最后,使用不同的正十八烷組合材料作為換熱器殼體,以提高導(dǎo)熱系數(shù)。 準(zhǔn)備好各個組件后,開始搭建BMS 測試平臺,并在車輛上進(jìn)行測試。 選擇16 kW·h 鋰離子電池HEV,電池冷卻回路選擇DEX-Cool(水與乙二醇的混合物),電芯表面覆蓋有不同厚度的PCM,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用IPETRONIK,硬件選用M 系列,熱電偶選用82M-THERMO k 型,采用8 通道電壓電流傳感器,并在車內(nèi)安裝5 個電磁發(fā)射器以記錄系統(tǒng)流量。 PCM 的厚度分別設(shè)為3 mm、6 mm、9 mm 和12 mm。 運(yùn)行一段時間后,發(fā)現(xiàn),PCM 越厚,電芯的平均溫度越低,溫升速率越慢,能夠防止短時間內(nèi)出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象。 當(dāng)PCM 的厚度增加時,電芯內(nèi)最高溫度和最低溫度之間的差值相應(yīng)減小。

4 電動汽車熱管理系統(tǒng)熱力學(xué)建模與測試

電動汽車熱管理系統(tǒng)要能處理明顯的熱負(fù)荷變化,調(diào)節(jié)乘員艙的溫度,并使車輛的各個部件在適宜的溫度下安全運(yùn)行。 熱管理系統(tǒng)一般由壓縮機(jī)、熱交換器、熱膨脹閥、電池和水泵等部件組成。 該書通過設(shè)置不同參數(shù)和約束方法,評價主要的零部件,并建立了簡化的熱管理系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由制冷劑回路(調(diào)節(jié)乘員艙溫度)和電池冷卻回路(控制電池溫度)組成。 兩個回路用冷水機(jī)連接,以便進(jìn)行熱交換。 當(dāng)利用制冷劑回路調(diào)節(jié)乘員艙的溫度時,要啟動壓縮機(jī),此時能量消耗較大,因此,利用冷水機(jī)進(jìn)行熱交換可提高系統(tǒng)效率。 在此基礎(chǔ)上,該書建立了液冷熱管理系統(tǒng)模型,研究系統(tǒng)對電池性能的影響。 模型設(shè)置為:環(huán)境溫度35 ℃,氣壓101 kPa,乘員艙溫度20 ℃,蒸發(fā)和冷凝溫度分別為5 ℃和55 ℃,冷卻物質(zhì)為R134a 制冷劑(用于制冷循環(huán))、水/乙二醇混合物(按質(zhì)量比1 ∶1混合,用于電池冷卻回路)、空氣(用于蒸發(fā)器和冷凝器換熱),冷卻液的工作溫度是19 ～25 ℃,電池產(chǎn)熱功率為0.35 kW。 通過分析,計(jì)算各零部件的效率及損失率,發(fā)現(xiàn):熱交換器的效率最低,僅21%;蒸發(fā)器和冷水機(jī)的效率最高,均大于80%。 此外,還研究了丙烷、丁烷、四氟丙烯和二甲醚等多種制冷劑,發(fā)現(xiàn)使用二甲醚可獲得最高的能量,但二甲醚易燃燒,會降低系統(tǒng)的整體效率;使用丙烷可實(shí)現(xiàn)最低的壓縮比,減少系統(tǒng)的泄漏量。

5 熱管理系統(tǒng)的評估及優(yōu)化方法

熱力學(xué)分析可提高熱管理系統(tǒng)的效率,而經(jīng)濟(jì)性分析方法則能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),降低成本。 該書考慮了零部件的成本、使用壽命、利用率和貢獻(xiàn)值等因素,計(jì)算出熱管理系統(tǒng)的成本,最后用損失成本率和投資成本率來衡量系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。 為了獲得更高的系統(tǒng)效率,通常要對熱管理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),過程中可能會出現(xiàn)自然資源消耗量增加、污染物排放等問題,因此,對熱管理系統(tǒng)的環(huán)境分析同樣重要,最常用的指標(biāo)是生命周期評價,包括燃料的供應(yīng)周期及零部件的生命周期。 以電動汽車電池組為例,進(jìn)行生命周期評價時,要使用定量數(shù)據(jù),從原材料的獲取到電池組的生產(chǎn)、使用、處置等,進(jìn)行全面評價,以確定對環(huán)境的影響。 為了提高熱管理系統(tǒng)的效率和質(zhì)量,降低成本和環(huán)境影響,應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)姆椒▋?yōu)化目標(biāo)函數(shù)。 在熱管理系統(tǒng)中,效率、環(huán)境影響、總成本率可作為目標(biāo)函數(shù),通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)效率、冷凝器飽和溫度等參數(shù),利用遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法等,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化。 為驗(yàn)證上述方法的可行性,該書利用鋰離子電池包和熱管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),設(shè)置影響成本和環(huán)境的參數(shù),用遺傳算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。 結(jié)果表明:經(jīng)過優(yōu)化后,系統(tǒng)成本降低了4.8%,環(huán)境影響率降低了3.9%。

6 實(shí)際案例研究

該書列舉了多種應(yīng)用案例,以驗(yàn)證提出模型的有效性。如從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面比較不同種類的汽車;利用PCM 研究電動汽車熱管理系統(tǒng)的性能;建立電池?zé)崮Ｐ?在不同邊界條件下研究電池的性能等。 這表明,該書提出的模型對于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有重要的意義。

7 結(jié)語

《電動汽車動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)》一書將理論知識、模型仿真與實(shí)際案例相合,介紹電池?zé)峁芾砑夹g(shù)相關(guān)內(nèi)容,詳細(xì)闡述了熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、相變材料、建模步驟、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性分析及優(yōu)化方法等。 該書邏輯清晰、內(nèi)容詳盡,可供從事電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究的科研人員參考。

書名:電動汽車動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)

作者:易卜拉欣·丁塞爾等 編著

ISBN:9787111664659

出版社:機(jī)械工業(yè)出版社

出版時間:2021-01-01

定價:￥168.00 元