汽车铅酸蓄电池低温加热技术研究

2018-05-09 01:29刘保国周元豪

汽车电器 2018年4期

刘保国，黄茂，虎忠，周元豪

（陕西重型汽车有限公司，陕西西安 710200）

随着电解液温度的降低，铅酸蓄电池放电能力会显著下降，影响着靠铅酸蓄电池起动特种车辆在-41 ℃低温环境下的正常起动。为解决特种车辆-41 ℃极低温环境起动时，蓄电池放电能力不足的问题，车辆通常加装蓄电池加热保温装置。通过加热发动机冷却液对蓄电池进行加热是曾经尝试过的方法之一。该方法通过热流管道加热蓄电池周围空气，再通过热空气将热量传递给蓄电池，加热效率低，且需要对蓄电池箱进行较大改动。采用循环加热蓄电池周围空气的方法，仅需对原有蓄电池箱做较小改动，加装方便，设计成本低。本文通过分析极低温环境下蓄电池周围加热空气的内流场和温度场，评价采用蓄电池空气加热的方法对蓄电池电解液的加热效果，并通过实验验证采用此法对蓄电池电解液的加热效果，为特种车辆的设计者提供设计参考。

1 铅酸蓄电池物理结构及充放电过程

1.1 铅酸蓄电池的物理结构

铅酸蓄电池是应用最广泛的汽车蓄电池，其内部物理结构见图1。铅酸蓄电池主要由排气栓、负极柱、电池盖、整体槽、正极板、隔板、负极板、汇流条和穿壁连接构成。正极板、负极板是蓄电池的基本部件，由它接受充入的电能和向外释放电能。正极板由活性物质二氧化铅和栅架组成，负极板由海绵状纯铅活性物质和栅架组成。为避免相互接触而短路，正负极板之间用绝缘的隔板隔开。为方便电解液自由渗透，隔板采用多孔性结构，由化学性能稳定，具有良好耐酸性和抗氧化性的非金属材料制成。正、负极板浸在电解液中。电解液一般是由相对密度1.84的纯硫酸和蒸馏水配制而成，密度一般在1.24～1.31kg／cm3的范围之内。整体槽是极板、隔板和电解液的容器。

图1 铅酸蓄电池物理结构

1.2 铅酸蓄电池的充放电过程

铅酸蓄电池充电、放电过程中，在正极板、负极板和电解液之间发生电化学反应，其化学反应方程式为

蓄电池中参与化学反应的物质正极板上是PbO2，负极板上是Pb，电解液是硫酸水溶液。蓄电池放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb均变为PbSO4水溶液，电解液中的H2SO4减少，相对密度下降。蓄电池充电时，则按相反的方向变化。

当电解液温度下降时，电解液粘度增加，电解液渗入极板变得困难，从而活性物质的利用率下降，导致蓄电池充放电容量下降。同时，随着电解液粘度增加，内阻增加，内压降变大，蓄电池端电压下降，蓄电池充放电容量也相应下降。因此，当蓄电池电解液温度很低时，对蓄电池电解液进行加热保温，可改变这一现象，增加蓄电池低温环境下的充放电容量，提高铅酸蓄电池的充放电能力。

2 蓄电池空气加热工作原理

蓄电池空气加热方法是利用燃油加热器加热蓄电池周围的空气，并强制其循环，进而实现加热蓄电池电解液的目的。蓄电池空气加热原理如图2所示。蓄电池加热开始，空气加热器从车用燃油箱吸油，加热器开始燃烧工作，加热器进风口B关闭，此时空气加热器通过进风口A从蓄电池箱吸入空气。空气被加热后，加热器鼓风机经出风口将热空气鼓入蓄电池箱。通过蓄电池周围空气再被空气加热器吸入-加热-鼓入蓄电池箱循环，使蓄电池A、蓄电池B周围的空气不断得到加热。当加热器出风口温度接近设定温度时，空气加热器进风口B风门开始调节，直至加热器出风口温度稳定至设定温度。同时，被加热空气将热量传递给蓄电池，使蓄电池电解液温度得到提高。但若B风门温度调节失效，则当空气加热器出风口温度达到加热器保护温度时，加热器自动停机，确保空气加热器的工作安全性。

图2 蓄电池空气加热原理图

3 某特种车蓄电池空气加热系统结构

为解决极低温环境下蓄电池充放电能力不足的问题，某特种车起动电源铅酸蓄电池采用蓄电池空气加热系统，系统结构如图3所示。该加热系统由加热器、进风管、蓄电池箱、蓄电池、回风管、风机等组成。风机先与加热器联接，联接后再通过回风管、回风口、进风管与蓄电池箱联接。

图3 蓄电池空气加热系统结构

4 蓄电池周围空气流场分析

4.1 模型简化

蓄电池空气加热时，蓄电池箱内部的空气动力学特性直接影响着蓄电池的加热效果。了解蓄电池箱内部空气的流动状况，探求本例蓄电池空气加热系统加热效果的理论解析是本文流场分析的主要目的。某越野汽车蓄电池箱三维模型见图4。

首先按照分析需求，对蓄电池箱三维模型进行合理简化，去除车架纵梁，修补孔洞，删除极小特征及一些外围结构件，得到蓄电池箱分析计算模型（图5）。蓄电池箱内部分析计算模型见图6。蓄电池箱分析计算模型主要为蓄电池箱体。蓄电池箱内部分析计算模型主要包括2块蓄电池、蓄电池间塑料隔板、内部支架、箱体内部空气层等。

图4 蓄电池箱三维模型

图5 蓄电池箱分析计算模型

4.2 网格划分

先由ANSA软件生成面网格，对于入口、出口和一些小特征进行细化处理，然后由STAR CCM+软件采用多面体网格划分技术进行体网格的划分，得到蓄电池箱体-蓄电池-电解液及空气层网格，见图7、图8、图9。整体的网格数量及网格布局满足分析精度和计算资源要求。

图6 箱体内部分析计算模型

4.3 计算域及边界条件的确定

根据模型各部分物理参数的不同，本例流场分析设置5个计算域，见表1。

图7 蓄电池箱体网格

图8 蓄电池网格

图9 电解液及空气层网格

表1 计算域设置

根据蓄电池加热系统使用极寒温度-41 ℃、燃油空气加热器介质通量185kg/h（无反向压力），加热器燃烧10min，加热器出风口温度由-41 ℃上升至90 ℃并保持恒定的温控要求，获得边界条件，见表2。为便于观察蓄电池的温度变化，时间格式选择隐式非稳态（Implicit Unsteady），湍流模型选取Realizable K-Epsilon模型。

表2 边界条件

4.4 分析结果

4.4.1 蓄电池箱内流场分析结果

计算分析得到蓄电池箱内部流线图和蓄电池壁面流线图，见图10、图11。

从流线图可看出，蓄电池箱内部及蓄电池壁面流线分布较均匀，箱体进风口和出风口处空气流速最快，远离进风口、出风口处的空气流速较慢。

4.4.2 蓄电池温度场分析结果

通过CAE分析计算得到加热30min蓄电池壁面及电解液温度分布，见图12、图13。在蓄电池被加热30min后，蓄电池壁面温度相比加热前升高显著，温度最高处在暖风入口所对的面上，受到暖风的直接冲击。上方蓝色区域温度变化较慢。

随着蓄电池空气加热器的持续加热，蓄电池表面温度增加，内部电解液的温度随之上升。在蓄电池表面流线密集、流速较快的区域，温度上升较快。加热30 min时，不考虑极板、隔板等内部结构对温升的影响，电解液平均温度为-34.47 ℃，温度较初始状态上升6.53 ℃。铅酸蓄电池正负极板活性物质为金属铅或铅的化合物，其热导率远高于电解液热导率。栅架的作用，使正负极板活性物质在电解液中的分散性较高，更有利于热量在电解液内部的传递。因此，蓄电池电解液30 min的实际温升应高于6.53 ℃。

5 铅酸蓄电池加热实验

5.1 电解液温度传感器的布置

某越野汽车蓄电池空气加热实验电解液温度传感器采用多点布置，蓄电池每单格均布置1个传感器，具体布置位置见图14。

5.2 实验数据分析

5.2.1 实验初始条件

为增加蓄电池加热实验条件与实际车辆冷起动环境条件的接近性，实验环境温度设定于-41 ℃±2 ℃，2只实验蓄电池电压分别为12.73 V和12.74 V，加热器燃油采用-50#柴油。根据实验传感器的布置，测得电解液各测试点初始温度为A-41.9 ℃， B-40.8 ℃， C-42.3 ℃，D-41.0 ℃，E-40.7 ℃， F-40.2 ℃。

5.2.2 蓄电池加热结果

蓄电池加热开始，起动空气加热器，每3 min记录一次蓄电池电解液温度，电解液温度各测试点测试值见表3。