汽車鉛酸蓄電池低溫加熱技術研究

2018-05-09 01:29:14劉保國周元豪

汽車電器 2018年4期

關鍵詞：分析

劉保國，黃茂，虎忠，周元豪

（陜西重型汽車有限公司，陜西西安 710200）

隨著電解液溫度的降低，鉛酸蓄電池放電能力會顯著下降，影響著靠鉛酸蓄電池起動特種車輛在-41 ℃低溫環境下的正常起動。為解決特種車輛-41 ℃極低溫環境起動時，蓄電池放電能力不足的問題，車輛通常加裝蓄電池加熱保溫裝置。通過加熱發動機冷卻液對蓄電池進行加熱是曾經嘗試過的方法之一。該方法通過熱流管道加熱蓄電池周圍空氣，再通過熱空氣將熱量傳遞給蓄電池，加熱效率低，且需要對蓄電池箱進行較大改動。采用循環加熱蓄電池周圍空氣的方法，僅需對原有蓄電池箱做較小改動，加裝方便，設計成本低。本文通過分析極低溫環境下蓄電池周圍加熱空氣的內流場和溫度場，評價采用蓄電池空氣加熱的方法對蓄電池電解液的加熱效果，并通過實驗驗證采用此法對蓄電池電解液的加熱效果，為特種車輛的設計者提供設計參考。

1 鉛酸蓄電池物理結構及充放電過程

1.1 鉛酸蓄電池的物理結構

鉛酸蓄電池是應用最廣泛的汽車蓄電池，其內部物理結構見圖1。鉛酸蓄電池主要由排氣栓、負極柱、電池蓋、整體槽、正極板、隔板、負極板、匯流條和穿壁連接構成。正極板、負極板是蓄電池的基本部件，由它接受充入的電能和向外釋放電能。正極板由活性物質二氧化鉛和柵架組成，負極板由海綿狀純鉛活性物質和柵架組成。為避免相互接觸而短路，正負極板之間用絕緣的隔板隔開。為方便電解液自由滲透，隔板采用多孔性結構，由化學性能穩定，具有良好耐酸性和抗氧化性的非金屬材料制成。正、負極板浸在電解液中。電解液一般是由相對密度1.84的純硫酸和蒸餾水配制而成，密度一般在1.24～1.31kg／cm3的范圍之內。整體槽是極板、隔板和電解液的容器。

圖1 鉛酸蓄電池物理結構

1.2 鉛酸蓄電池的充放電過程

鉛酸蓄電池充電、放電過程中，在正極板、負極板和電解液之間發生電化學反應，其化學反應方程式為

蓄電池中參與化學反應的物質正極板上是PbO2，負極板上是Pb，電解液是硫酸水溶液。蓄電池放電時，正極板上的PbO2和負極板上的Pb均變為PbSO4水溶液，電解液中的H2SO4減少，相對密度下降。蓄電池充電時，則按相反的方向變化。

當電解液溫度下降時，電解液粘度增加，電解液滲入極板變得困難，從而活性物質的利用率下降，導致蓄電池充放電容量下降。同時，隨著電解液粘度增加，內阻增加，內壓降變大，蓄電池端電壓下降，蓄電池充放電容量也相應下降。因此，當蓄電池電解液溫度很低時，對蓄電池電解液進行加熱保溫，可改變這一現象，增加蓄電池低溫環境下的充放電容量，提高鉛酸蓄電池的充放電能力。

2 蓄電池空氣加熱工作原理

蓄電池空氣加熱方法是利用燃油加熱器加熱蓄電池周圍的空氣，并強制其循環，進而實現加熱蓄電池電解液的目的。蓄電池空氣加熱原理如圖2所示。蓄電池加熱開始，空氣加熱器從車用燃油箱吸油，加熱器開始燃燒工作，加熱器進風口B關閉，此時空氣加熱器通過進風口A從蓄電池箱吸入空氣?？諝獗患訜岷?，加熱器鼓風機經出風口將熱空氣鼓入蓄電池箱。通過蓄電池周圍空氣再被空氣加熱器吸入-加熱-鼓入蓄電池箱循環，使蓄電池A、蓄電池B周圍的空氣不斷得到加熱。當加熱器出風口溫度接近設定溫度時，空氣加熱器進風口B風門開始調節，直至加熱器出風口溫度穩定至設定溫度。同時，被加熱空氣將熱量傳遞給蓄電池，使蓄電池電解液溫度得到提高。但若B風門溫度調節失效，則當空氣加熱器出風口溫度達到加熱器保護溫度時，加熱器自動停機，確?？諝饧訜崞鞯墓ぷ靼踩?。

圖2 蓄電池空氣加熱原理圖

3 某特種車蓄電池空氣加熱系統結構

為解決極低溫環境下蓄電池充放電能力不足的問題，某特種車起動電源鉛酸蓄電池采用蓄電池空氣加熱系統，系統結構如圖3所示。該加熱系統由加熱器、進風管、蓄電池箱、蓄電池、回風管、風機等組成。風機先與加熱器聯接，聯接后再通過回風管、回風口、進風管與蓄電池箱聯接。

圖3 蓄電池空氣加熱系統結構

4 蓄電池周圍空氣流場分析

4.1 模型簡化

蓄電池空氣加熱時，蓄電池箱內部的空氣動力學特性直接影響著蓄電池的加熱效果。了解蓄電池箱內部空氣的流動狀況，探求本例蓄電池空氣加熱系統加熱效果的理論解析是本文流場分析的主要目的。某越野汽車蓄電池箱三維模型見圖4。

首先按照分析需求，對蓄電池箱三維模型進行合理簡化，去除車架縱梁，修補孔洞，刪除極小特征及一些外圍結構件，得到蓄電池箱分析計算模型（圖5）。蓄電池箱內部分析計算模型見圖6。蓄電池箱分析計算模型主要為蓄電池箱體。蓄電池箱內部分析計算模型主要包括2塊蓄電池、蓄電池間塑料隔板、內部支架、箱體內部空氣層等。

圖4 蓄電池箱三維模型

圖5 蓄電池箱分析計算模型

4.2 網格劃分

先由ANSA軟件生成面網格，對于入口、出口和一些小特征進行細化處理，然后由STAR CCM+軟件采用多面體網格劃分技術進行體網格的劃分，得到蓄電池箱體-蓄電池-電解液及空氣層網格，見圖7、圖8、圖9。整體的網格數量及網格布局滿足分析精度和計算資源要求。

圖6 箱體內部分析計算模型

4.3 計算域及邊界條件的確定

根據模型各部分物理參數的不同，本例流場分析設置5個計算域，見表1。

圖7 蓄電池箱體網格

圖8 蓄電池網格

圖9 電解液及空氣層網格

表1 計算域設置

根據蓄電池加熱系統使用極寒溫度-41 ℃、燃油空氣加熱器介質通量185kg/h（無反向壓力），加熱器燃燒10min，加熱器出風口溫度由-41 ℃上升至90 ℃并保持恒定的溫控要求，獲得邊界條件，見表2。為便于觀察蓄電池的溫度變化，時間格式選擇隱式非穩態（Implicit Unsteady），湍流模型選取Realizable K-Epsilon模型。

表2 邊界條件

4.4 分析結果

4.4.1 蓄電池箱內流場分析結果

計算分析得到蓄電池箱內部流線圖和蓄電池壁面流線圖，見圖10、圖11。

從流線圖可看出，蓄電池箱內部及蓄電池壁面流線分布較均勻，箱體進風口和出風口處空氣流速最快，遠離進風口、出風口處的空氣流速較慢。

4.4.2 蓄電池溫度場分析結果

通過CAE分析計算得到加熱30min蓄電池壁面及電解液溫度分布，見圖12、圖13。在蓄電池被加熱30min后，蓄電池壁面溫度相比加熱前升高顯著，溫度最高處在暖風入口所對的面上，受到暖風的直接沖擊。上方藍色區域溫度變化較慢。

隨著蓄電池空氣加熱器的持續加熱，蓄電池表面溫度增加，內部電解液的溫度隨之上升。在蓄電池表面流線密集、流速較快的區域，溫度上升較快。加熱30 min時，不考慮極板、隔板等內部結構對溫升的影響，電解液平均溫度為-34.47 ℃，溫度較初始狀態上升6.53 ℃。鉛酸蓄電池正負極板活性物質為金屬鉛或鉛的化合物，其熱導率遠高于電解液熱導率。柵架的作用，使正負極板活性物質在電解液中的分散性較高，更有利于熱量在電解液內部的傳遞。因此，蓄電池電解液30 min的實際溫升應高于6.53 ℃。

5 鉛酸蓄電池加熱實驗

5.1 電解液溫度傳感器的布置

某越野汽車蓄電池空氣加熱實驗電解液溫度傳感器采用多點布置，蓄電池每單格均布置1個傳感器，具體布置位置見圖14。

5.2 實驗數據分析

5.2.1 實驗初始條件

為增加蓄電池加熱實驗條件與實際車輛冷起動環境條件的接近性，實驗環境溫度設定于-41 ℃±2 ℃，2只實驗蓄電池電壓分別為12.73 V和12.74 V，加熱器燃油采用-50#柴油。根據實驗傳感器的布置，測得電解液各測試點初始溫度為A-41.9 ℃， B-40.8 ℃， C-42.3 ℃，D-41.0 ℃，E-40.7 ℃， F-40.2 ℃。

5.2.2 蓄電池加熱結果

蓄電池加熱開始，起動空氣加熱器，每3 min記錄一次蓄電池電解液溫度，電解液溫度各測試點測試值見表3。