黃堪豐，陳才敏，林楚童

（廣東機電技術(shù)職業(yè)學院汽車學院，廣東 廣州 510550）

1 研究背景

鋰離子電池由于具有能量密度高、使用壽命長和運用技術(shù)成熟等優(yōu)勢，而被廣泛應(yīng)用于純電動、混合動力等新能源汽車。然而，鋰離子動力電池的性能也直接影響純電動汽車的續(xù)航能力、動力性和安全性。研究表明，磷酸鐵鋰電池的最佳工作溫度為 18～45 ℃, 可接受的溫差范圍應(yīng)不高于 10 ℃[1]。其工作窗口與失效環(huán)境如圖 1 所示。

圖1 鋰離子電池工作窗口與失效環(huán)境

動力電池的大型化、成組化使得電池組的散熱能力低于產(chǎn)熱能力，特別是在高倍率放電時，電池組的散熱效果更差。如果散熱不及時造成溫度過高，動力電池內(nèi)部就會發(fā)生連鎖放熱反應(yīng)，造成電池內(nèi)部鎳鋁酸鋰等材料分解，析出氧氣。動力電池內(nèi)部過壓形成鋰枝晶，以及過壓熱失控引起的爆炸等問題，都危及汽車行駛的安全性。如果溫度過低則會影響電池釋放的功率，也會導(dǎo)致正極損壞、短路，低溫充電縮短循環(huán)周期而影響電池容量等問題。另外，動力電池組內(nèi)部的溫度分布很不均勻，而溫度不均勻會引起熱電耦合，從而加快電池組的老化。為了解決以上這些問題，需要給動力電池配備高效的熱管理系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)電動汽車主要采取主動熱管理系統(tǒng)，如水冷、風冷或空調(diào)制冷等，會消耗動力電池的能量，降低汽車的續(xù)航能力。如果回收汽車制動的能量作為動力電池熱管理系統(tǒng)的動力源，采用渦流管制冷、制熱技術(shù)，就同時具有了冷卻與預(yù)熱動力電池的功效，無形之中增加了純電動汽車的續(xù)航里程，延長了動力電池的壽命。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于制動蓄能的動力電池渦流管熱管理系統(tǒng)主要由制動能量回收系統(tǒng)、渦流管制冷制熱系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

汽車在正常行駛時，電磁離合器不工作，空氣壓縮機的皮帶輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，不消耗汽車的能量。當駕駛員踩下制動踏板時，電磁離合器接通，空氣壓縮機開始工作，將高壓空氣儲存到儲能器中。儲能器使空氣壓力保持在 0.6～0.7 MPa 的范圍內(nèi)。需要時，高壓的空氣從儲氣罐中出來，進入調(diào)校好的渦流管內(nèi)，理想情況下，可產(chǎn)生比實際溫度低 25 ℃～45 ℃ 的低溫冷氣流和 110 ℃ 以下的熱氣流。如果不需要冷卻動力電池組，超過這個壓力范圍則通過限壓閥將空氣排出到大氣中。

當溫度傳感器檢測到動力電池組的溫度高于 45℃ 時，溫控器控制儲能器的電磁閥開啟，高壓空氣進入渦流管，產(chǎn)生并分離出冷、熱 2 股氣流。冷氣流通過冷氣換向電磁閥的出氣口，進入動力電池內(nèi)部進行冷卻；熱氣流直接從熱氣換向電磁閥中的排氣口被排到大氣中。當溫度傳感器檢測到動力電池實際工作溫度低于最佳工作溫度（18 ℃）時，系統(tǒng)將熱空氣輸送到動力電池組中預(yù)熱動力電池，而將冷空氣直接排到大氣中。

當駕駛員長時間未踩下制動踏板，造成儲能器中的空氣壓力小于 0.6 MPa，且溫度傳感器檢測到動力電池組實際工作溫度超出正常工作溫度時，溫控器直接控制電磁離合器閉合，壓縮機開始壓縮空氣，重復(fù)以上冷卻過程。此時消耗汽車能量來冷卻動力電池。

3 理論設(shè)計

3.1 渦流管制冷制熱原理

渦流管由噴嘴、渦流室、分離孔板、冷端管和熱端管組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖 3 所示。工作時高壓氣體在噴嘴內(nèi)膨脹，然后以很高的速度沿切線方向進入渦流管，在渦流室形成渦流。渦流的旋轉(zhuǎn)角速度愈靠近中心愈大。由于角速度不同，在自由渦流的層與層之間就產(chǎn)生了摩擦。摩擦將中心氣流的能量傳遞給外層角速度較低的氣流。中心層部分的氣流失去能量，動能降低，速度減小，溫度降低，這樣就得到了所需的冷氣流。而外層部分的氣流由于獲得動量，動能增加，同時又與渦輪管壁摩擦，將部分動能轉(zhuǎn)換成熱能，就形成了熱氣流。理想情況下，渦流管可產(chǎn)生比實際溫度低 25～45 ℃ 的低溫冷氣流和 110 ℃ 以下的熱氣流。在熱端管出口處安裝有流量調(diào)節(jié)閥，可通過調(diào)節(jié)得到最佳制冷效應(yīng)或最佳制熱效應(yīng)[2]。

圖3 渦流管工作原理圖

渦流管參數(shù)[3]：

渦流管的總制冷量

式中：θi為進氣溫度；θc冷氣流出口溫度；θh為熱氣流出口溫度；cp為定壓比熱；qm,1為進氣口流量；qm,2為冷氣流出口流量[4]。

用制冷溫度效率來表示實際溫降與等熵過程溫降的接近程度，其公式為：

式中：θcs為氣體從入口壓力pi膨脹到冷端出口壓力Pc時理論上的最大溫降。即定熵膨脹過程的最大溫降：

式中，k為絕熱指數(shù)。

3.2 鋰離子電池工作原理及生熱分析

磷酸鐵鋰動力電池充電過程中正、負極電化學反應(yīng)和總反應(yīng)分別為：

鋰電池在應(yīng)用的過程中主要有 3 個熱量來源：歐姆熱Qj、電化學反應(yīng)熱Qr和極化熱Qp。在充放電的過程中，鋰離子電池的電化學反應(yīng)熱較低，為了方便計算，可以忽略[5]。歐姆熱是電池在充放電過程中由于電池內(nèi)部電阻在電流的作用下產(chǎn)生的熱量，其計算公式為：

式中：I為充放電電流，單位 A；t為充放電時間，單位 s；Rc為歐姆內(nèi)阻，單位 Ω。極化熱與電池的極化內(nèi)阻有關(guān)，是指電池在充放電過程中，由電池的極化所產(chǎn)生的熱量，其計算公式為

式中：I為充放電電流；t為充放電時間；Rp為極化內(nèi)阻。因此，鋰離子電池在充放電過程中實際產(chǎn)生的熱量Q為[6]：

4 系統(tǒng)模型與實物構(gòu)建

利用 SolidWorks2010 三維設(shè)計軟件，構(gòu)建系統(tǒng)裝配模型（見圖 4）。再根據(jù)已構(gòu)建的系統(tǒng)三維模型，制作出實物（見圖 5）。

圖4 系統(tǒng)的三維裝配模型圖

圖5 系統(tǒng)總成實物圖

5 實驗測試與數(shù)據(jù)分析

由于實驗條件的限制及對安全的考慮，將渦流管和動力電池組模型安裝在捷豹 OLF-2530 空氣壓縮機上進行模擬（見圖 6 和圖 7）。動力電池組的發(fā)熱用熱水代替。因為熱水容器的冷卻原理和本系統(tǒng)的冷卻原理是一致的，所以用其模擬數(shù)值來代替本系統(tǒng)實際工作的數(shù)值。經(jīng)過多次調(diào)試和改善，在室溫 30 ℃、135 L/min 的流量下，本實驗所用的渦流管冷氣流溫度為 10 ℃，熱氣流溫度為 56.4 ℃。

為了使模擬更接近實際，本次實驗中一共設(shè)置了 4 個溫度檢測點（見圖 8）[7]。將相同溫度的熱水放到 4 組水槽中，并將電池組密封，等待溫度穩(wěn)定后，開始給電池組通入渦流管分離出來的冷氣流，同時用秒表計時，每隔 30 s 記錄 1 次數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)做成折線圖（見圖 9）。

圖6 實驗?zāi)M過程

圖7 系統(tǒng)調(diào)試過程

圖8 動力電池測溫點

從圖 9 可以看出，4 個通道的溫度一開始下降得很迅速，隨后冷卻速率開始下降。原因是，壓縮機的儲氣罐未放氣時是處于高壓狀態(tài)，但打開放氣控制閥后，儲氣罐的壓力逐漸下降。雖然壓縮機在儲氣罐壓力降到 0.2 MPa 時開始啟動，但由于壓縮機的功率過小，無法將壓力維持在渦流管的最佳工作壓力范圍內(nèi)，導(dǎo)致渦流管的工作效率下降，同時冷卻速率也開始下降。然而，渦流管分離出的冷空氣的溫度始終比室溫低，仍具有冷卻電池組的能力。

圖9 4 個通道的溫度曲線

如圖 10 所示，將 4 組數(shù)據(jù)進行對比，當溫度從38.3 ℃ 降到 30.9 ℃ 時，通道 1 用時 7.5 min，通道 2 和通道 3 用時 9 min，通道 4 用時 10 min，由此可以得出本熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有較好的散熱效果。

圖10 4 個通道溫度對比曲線

6 結(jié)論

十三五期間，國內(nèi)電動汽車總產(chǎn)銷有望破 500萬輛，所有電動汽車動力電池的熱管理系統(tǒng)都亟待在節(jié)能與安全方面有所改進。筆者所設(shè)計的熱管理系統(tǒng)利用回收的汽車制動能量作為動力源，減少傳統(tǒng)動力電池組熱管理過程消耗的能量，增加純電動汽車的續(xù)航能力。另外，此熱管理系統(tǒng)采用并行通風方式，通過楔形的進排氣通道，確保不同模塊間縫隙上下的壓力與空氣流量基本保持一致，從而確保了電池組溫度場分布的一致性，電池組間溫度均衡。此熱管理系統(tǒng)可以高效解決動力電池組冷卻和預(yù)熱等熱管理問題，有效解決動力電池因溫度過高而引發(fā)的材料分解、過壓、熱失控起火等安全問題及低溫造成電池正極提壞短路和低溫充電縮短循環(huán)周期等問題。符合電動汽車動力電池節(jié)能與安全方面的要求，具有強大的市場競爭力和廣泛的應(yīng)用前景。