Одной из ключевых технологий электромобилей являются силовые батареи. Качество батарей определяет, с одной стороны, стоимость электромобилей, а с другой — их запас хода. Это ключевой фактор для принятия и быстрого внедрения.
В зависимости от характеристик применения, требований и областей использования силовых батарей, в стране и за рубежом исследования и разработки в этой области подразделяются примерно на следующие типы: свинцово-кислотные батареи, никель-кадмиевые батареи, никель-металлгидридные батареи, литий-ионные батареи, топливные элементы и др., при этом наибольшее внимание уделяется разработке литий-ионных батарей.
Характеристики тепловыделения аккумуляторной батареи
Источник тепла, скорость тепловыделения, теплоемкость батареи и другие связанные параметры силового аккумуляторного модуля тесно связаны с природой батареи. Тепло, выделяемое батареей, зависит от химической, механической и электрической природы и характеристик батареи, особенно от характера электрохимической реакции. Тепловая энергия, выделяемая в реакции батареи, может быть выражена как теплота реакции батареи Qr; электрохимическая поляризация приводит к отклонению фактического напряжения батареи от ее равновесной электродвижущей силы, а потери энергии, вызванные поляризацией батареи, выражаются как Qp. Помимо реакции батареи, протекающей в соответствии с уравнением реакции, существуют также некоторые побочные реакции. Типичные побочные реакции включают разложение электролита и саморазряд батареи. Теплота побочной реакции, выделяемая в этом процессе, равна Qs. Кроме того, поскольку любая батарея неизбежно имеет сопротивление, при прохождении тока будет выделяться джоулево тепло Qj. Следовательно, общее тепло батареи представляет собой сумму теплоты следующих составляющих: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
В зависимости от конкретного процесса зарядки (разрядки) основные факторы, вызывающие выделение тепла батареей, также различаются. Например, при нормальной зарядке батареи доминирующим фактором является Qr; а на более поздней стадии зарядки, из-за разложения электролита, начинают происходить побочные реакции (тепло от побочных реакций — Qs), когда батарея почти полностью заряжена и перезаряжена, в основном происходит разложение электролита, где доминирует Qs. Джоулево тепло Qj зависит от тока и сопротивления. Обычно используемый метод зарядки осуществляется при постоянном токе, и Qj в это время имеет определенное значение. Однако во время запуска и ускорения ток относительно высок. Для гибридных электромобилей это эквивалентно току от десятков до сотен ампер. В это время джоулево тепло Qj очень велико и становится основным источником выделения тепла батареей.
С точки зрения управляемости систем терморегулирования, системы терморегулирования (HVHСистемы терморегулирования можно разделить на два типа: активные и пассивные. С точки зрения теплоносителя, системы терморегулирования можно разделить на: системы с воздушным охлаждением.Воздушный нагреватель PTC), с жидкостным охлаждением (Подогреватель охлаждающей жидкости PTC), и теплоаккумулятор с фазовым переходом.
Для теплопередачи с использованием охлаждающей жидкости (термотермистор с подогревом от температуры) в качестве среды необходимо установить теплообмен между модулем и жидкой средой, например, водяной рубашкой, для осуществления косвенного нагрева и охлаждения в виде конвекции и теплопроводности. В качестве теплоносителя может использоваться вода, этиленгликоль или даже хладагент. Существует также прямая теплопередача путем погружения полюсного наконечника в жидкость диэлектрика, но при этом необходимо принять меры изоляции во избежание короткого замыкания.
Пассивное охлаждение с помощью охлаждающей жидкости обычно использует теплообмен жидкостью и окружающим воздухом, а затем в аккумуляторную батарею вводятся теплоносители для вторичного теплообмена, в то время как активное охлаждение использует теплообменники с охлаждающей жидкостью двигателя и жидкостным теплоносителем или электрический нагрев с использованием терморезисторов/термомасляный нагрев для достижения первичного охлаждения. Отопление, первичное охлаждение с помощью хладагента в жидкостном теплоносителе для воздуха в салоне/кондиционирования воздуха.
Для систем терморегулирования, использующих воздух и жидкость в качестве среды, конструкция слишком велика и сложна из-за необходимости в вентиляторах, водяных насосах, теплообменниках, нагревателях, трубопроводах и других элементах, а также потребляет энергию батареи и снижает ее удельную мощность и энергетическую плотность.
Система водяного охлаждения батареи использует охлаждающую жидкость (50% воды/50% этиленгликоля) для передачи тепла батареи в систему кондиционирования воздуха через охладитель батареи, а затем в окружающую среду через конденсатор. Температура воды на входе в батарею охлаждается батареей. После теплообмена температура легко снижается, и батарея может работать в оптимальном диапазоне рабочих температур; принцип работы системы показан на рисунке. Основные компоненты системы охлаждения включают: конденсатор, электрический компрессор, испаритель, расширительный клапан с запорным клапаном, охладитель батареи (расширительный клапан с запорным клапаном) и трубы системы кондиционирования воздуха и т. д.; контур водяного охлаждения включает: электрический водяной насос, батарею (включая охлаждающие пластины), охладители батареи, водопроводные трубы, расширительные баки и другие комплектующие.
Дата публикации: 27 апреля 2023 г.
