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熱設(shè)計網(wǎng)

電動車電池?zé)峁芾恚沃氐肋h(yuǎn)

熱設(shè)計
來源:洞見熱管理(網(wǎng)絡(luò)資料整理)

近日,南京市某小區(qū)發(fā)生一起因電動兩輪車在架空層停放引發(fā)的火災(zāi)事故,造成15死44傷的后果,一時將電動兩輪車安全問題推上話題焦點。緊接著,比亞迪旗下弗迪電池宣布:基于南京“2.23”火災(zāi)事故,弗迪電池管理團隊、開發(fā)團隊對此連夜召開緊急會議,探討對兩輪車品質(zhì)安全解決方案,將把乘用車的研發(fā)成果應(yīng)用到兩輪車領(lǐng)域,并協(xié)同各方正能量,開發(fā)出能上樓的安全電池。


據(jù)中國自行車協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù),截至2022年底,我國兩輪電動車保有量約3.5億輛。據(jù)國家消防救援局的統(tǒng)計數(shù)據(jù),電動自行車起火已是目前各地城市火災(zāi)的主要原因之一。目前,包括北京在內(nèi)的多地都已制定了針對電動自行車用鋰離子電池安全性的地方性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),我國的強制性國家標(biāo)準(zhǔn)即將出臺,這些標(biāo)準(zhǔn)均對單體電池過充電、過放電、電池組溫度保護和過充電保護等安全技術(shù)指標(biāo)進行了規(guī)定。


當(dāng)前,市場上銷售的電動自行車電池主要以鉛酸蓄電池和鋰電池為主,而在新國標(biāo)的實施、綠色出行等因素推動下,電動自行車鋰電池市場需求呈快速增長態(tài)勢。但鋰離子電池容易出現(xiàn)熱失控,一旦燃燒,會迅速引燃周邊可燃物,且伴隨爆炸、高溫?zé)焿m、有毒煙氣。


電池的安全運行高度依賴于環(huán)境溫度,鋰電池的工作溫度為0~50℃,最佳工作溫度在20~40℃,超過50℃電池組熱量聚集,將直接影響電池壽命,而當(dāng)電池溫度超過80℃后可能就會引發(fā)電池組爆炸。在2023年。我國電動汽車的銷量高達(dá)940萬輛。因此,為了減少社會安全事故的發(fā)生,作為電動汽車核心部件的電池,其熱管理設(shè)計尤為重要。


電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括主動式和被動式,主動式熱管理包括空氣冷卻、液體冷卻、制冷劑式冷卻;被動式熱管理包括自然冷卻、熱管冷卻和相變材料。鋰電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要包括空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變冷卻這四種。

空氣冷卻技術(shù)

空氣冷卻也稱為風(fēng)冷系統(tǒng),利用空氣作為熱量交換載體, 起到控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的作用。根據(jù)散熱通風(fēng)方式,空氣冷卻又分為串行通風(fēng)和并行通風(fēng)。空氣冷卻技術(shù)存在導(dǎo)熱系數(shù)低、對電池組溫度均勻性控制效果差等缺點。由于動力鋰電池向高能量密度發(fā)展的趨勢,空氣冷卻逐漸難以滿足熱管理技術(shù)要求。

液體冷卻技術(shù)

液體冷卻又稱液冷系統(tǒng),利用冷卻液作為熱量交換載體, 起到控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的作用。該系統(tǒng)通常利用水泵和管道完成冷卻液在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動,分為直接接觸式和間接接觸式。

直接接觸冷卻是將電池組直接浸在冷卻液體中;非直接接觸冷卻是在電池模塊間排布管路或在電池組內(nèi)布置夾套,液體在內(nèi)部流動而吸收并帶走熱量。 

液體冷卻具有冷卻效率高、導(dǎo)熱系數(shù)大、可提高電池組的溫度一致性等優(yōu)點。但液體泄漏可能導(dǎo)致電池短路,因此對液體冷卻的密封性要求很高,這是液體冷卻存在的安全問題。同時,液體冷卻會增加整個鋰電池系統(tǒng)的自重,不利于動力鋰電池的輕量化趨勢。

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熱管冷卻技術(shù)

熱管冷卻是利用相變實現(xiàn)熱傳導(dǎo)的熱管理系統(tǒng)。熱管由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成。密封空管內(nèi)的介質(zhì)在蒸發(fā)階段會吸收電池產(chǎn)生的熱量,再通過冷凝段把熱量傳遞給外部環(huán)境, 達(dá)到使電池組迅速降溫的效果。熱管的種類有:重力熱管、脈動熱管、燒結(jié)熱管等。

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相變材料冷卻技術(shù)

相變材料是一種能夠在一定溫度范圍內(nèi)改變自身物理狀態(tài)的材料。相變材料分為有機相變材料、無機相變材料和復(fù)合相變材料。相變冷卻是利用相變材料的相變潛熱吸收熱量的被動式冷卻方式,石蠟是一種研究較多的相變材料。 

相變冷卻具有散熱速度快、控溫均勻性高、低溫保溫等優(yōu)點,還可根據(jù)相變材料種類、將相變材料與其他材料復(fù)合等手段提高理化性能。采用相變材料冷卻可以減少電池系統(tǒng)占用的空間,且不會額外消耗電池的能量。但也存在導(dǎo)熱系數(shù)低、易泄漏等缺點。如果將相變冷卻與其他熱管理方式相結(jié)合,及時將相變材料吸收的熱量散失到外界環(huán)境中,則可持續(xù)發(fā)揮相變材料的冷卻作用。

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當(dāng)前,電動車迭代中,無一不是把電池?zé)峁芾淼募夹g(shù)創(chuàng)新放在十分重要的位置,例如,比亞迪海豹的熱管理系統(tǒng)把冷媒回路和水回路統(tǒng)籌起來,借助Nonavalve的開關(guān)的組合,支持僅對空調(diào)或電池進行加熱/冷卻的4種模式、以及同時對空調(diào)和電池進行加熱/冷卻的4種模式。不過,空調(diào)制暖時將并用冷媒的熱(熱泵)與HVAC內(nèi)設(shè)置的PTC加熱器。


在“制熱&電池加熱”模式下,通過關(guān)閉冷凝器用和電池冷卻用切換閥,形成如下圖所示的冷媒回路。系統(tǒng)運行是這樣的:用壓縮機加熱的冷媒區(qū)分為車內(nèi)冷凝器和電池,分別加熱。然后冷媒通過膨脹閥,溫度下降,通過板式換熱器使冷卻劑降溫。同時回收逆變器和馬達(dá)的排熱,重新返回壓縮機。

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未來,電動車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)將會從多個方面不斷突破,包括提高效率、降低成本、增強智能化等。以下是一些可能的技術(shù)發(fā)展趨勢:


  • 智能化控制系統(tǒng):未來的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)將更加智能化,采用先進的控制算法和人工智能技術(shù)。通過實時監(jiān)測電池的溫度、充電狀態(tài)和車輛運行條件,系統(tǒng)能夠動態(tài)調(diào)整散熱和加熱策略,以最大程度地提高電池效率和壽命。

  • 相變材料的應(yīng)用:相變材料是一種可以在特定溫度范圍內(nèi)吸收或釋放熱量的材料。在電動車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中,相變材料的應(yīng)用有望改善熱能儲存和釋放效率,提高系統(tǒng)的能量密度和熱管理性能。

  • 高效散熱技術(shù):創(chuàng)新的散熱技術(shù)將成為未來的發(fā)展方向,例如采用更高效的散熱材料、設(shè)計更復(fù)雜的散熱結(jié)構(gòu)以增大散熱表面,以及利用先進的液冷系統(tǒng)等。這有助于在高溫環(huán)境中更有效地散發(fā)多余的熱量。

  • 熱電材料的利用:熱電材料可以將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能,未來的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可能會探索利用熱電效應(yīng),將部分廢熱轉(zhuǎn)化為可用的電能,提高整個車輛能源利用效率。

  • 柔性散熱結(jié)構(gòu):采用柔性和輕量化的散熱結(jié)構(gòu),如柔性散熱片或散熱涂層,以適應(yīng)電池組件的形狀和安裝空間,提高系統(tǒng)的整體靈活性和適應(yīng)性。

  • 環(huán)保材料的使用:在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中采用更環(huán)保的材料,減少對環(huán)境的負(fù)面影響,符合全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢。

  • 高能量密度電池的應(yīng)用:隨著電池技術(shù)的不斷進步,未來電動車可能會采用更高能量密度的電池,對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出更高的要求,以確保在高能量密度下依然能夠保持穩(wěn)定的溫度。

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