冬季用車載鉛酸蓄電池保溫盒設計研究

摘 要：本研究提出針對冬季低溫環(huán)境的車載鉛酸蓄電池保溫盒設計理念，利用剛停車時冷卻系統(tǒng)中冷卻液的余溫對蓄電池進行保溫，給出了原始設計形式和一定的初參數(shù)，在允許范圍內制定了假設條件并在此基礎上進行了簡單的熱力學計算和驗證，畫出概念圖和給出相關建議。

關鍵詞：低溫環(huán)境；鉛酸蓄電池；冷卻液；保溫盒；隔熱層；“熱墻”

1 引言

隨著經濟的發(fā)展，越來越多的家庭有了私家車，車輛在帶來便利的同時，其損耗和保養(yǎng)也讓車主十分頭疼，尤其在冬季，低溫往往會對車輛產生極為不利的影響，如冷卻液凍結、發(fā)動機啟動較慢等。與此同時，我們還注意到許多車主的車載蓄電池由于低溫常常折壽，稍不注意就會發(fā)生結冰凍裂等現(xiàn)象，而加裝保護套等方式又達不到理想的效果，對此，本文闡述了一種將車輛冷卻液的余溫用于對蓄電池進行短期保溫的設計理念并進行了簡單的熱力計算以證明其可行性。

2 低溫引起的問題

提及車輛，其強大的動力和便捷性給眾多初見者留下了極為深刻的印象，從被發(fā)明的那一天起，作為車輛核心動力的發(fā)動機就有了一套完整的冷卻和保護系統(tǒng)，但對車主而言冬季仍然是其愛車的噩夢，除了濕滑和結冰的路面引起交通事故以外，過低的氣溫常常成為車輛零部件損壞的罪魁禍首，尤其在中國東北等地區(qū)，室外的低溫可在一夜之間將汽車凍成一個冰疙瘩，次日車輛啟動困難，若是冷卻液的配比有所偏差更有可能導致冷卻系統(tǒng)的爆管，如今針對此關鍵問題所誕生的防凍液技術已經較為成熟，特制的潤滑油也能對發(fā)動機有著極好的保養(yǎng)效果。

反觀發(fā)動機的另一重要部件，車載蓄電池則得不到較好的保護，尤其在停車后發(fā)動機和蓄電池停止產熱，車輛動力艙開始和外界低溫環(huán)境進行無內熱源的熱量交換并在有限的時間內冷卻到環(huán)境溫度，獨立于冷卻和潤滑系統(tǒng)之外的車載蓄電池無法從上面提到的種種技術中受益，特別是服役時間較長和過放電的車載鉛酸蓄電池，極有可能因為內部電解液密度下降使得其冰點高于環(huán)境溫度而導致溶液結冰造成電池極板脹裂、粉碎和電池外殼鼓包等不可修復的損失。

3 車載蓄電池的性質參數(shù)、主要作用及常規(guī)保護

1.性質參數(shù)

車載鉛酸蓄電池是一種化學電源，依靠其內部化學反應來充放電能，常規(guī)的家用轎車蓄電池為6只2V的單格電池串聯(lián)而成，其構成主要包含極板、隔板、外殼、電解液等，外殼常為ABS塑料，電解液為蒸餾水和純硫酸配制而成。工作溫度范圍：0～45℃。

2.主要作用

（1）啟動發(fā)動機時，給起動機提供很強的啟動電流（200～600A）。

（2）當發(fā)電機過載時，協(xié)助發(fā)電機向用電設備供電。

（3）當發(fā)電機處于怠速時，向用電設備供電。

（4）當發(fā)電機端電壓高于電池的電動勢時，對自身充電。

（5）是一個大容量電容器，可以保護汽車的用電器。

3.常規(guī)保護

1）盡量保證蓄電池工作在合適范圍以內。

2）若非免維護電池則應當定期注意電解液濃度。

3）低溫環(huán)境下加裝隔熱材料制作的保溫套。

4 本研究設想：利用冷卻液余熱對蓄電池保溫

雖然有以上種種對蓄電池的保護措施，然而在低溫環(huán)境下僅靠蓄電池自身發(fā)熱來保持溫度較為困難，行車時動力艙內溫度尚且較適宜，在停車后動力艙內溫度很快會降到環(huán)境溫度，僅僅靠保溫套是無法保證車載鉛酸蓄電池安全的，以下設計了一種利用冷卻液余溫來為蓄電池保溫的保溫盒，并初步驗證了在12小時之內（大約為夜里下班到早上上班的停車時間）來為蓄電池保溫的可行性。

1.思路來源

車輛動力艙內產熱最大的部分是發(fā)動機，而冷卻液帶走了大部分的熱量以保證發(fā)動機不會過熱，冷卻系統(tǒng)通過風扇的強制對流將冷卻液的熱量散發(fā)到環(huán)境之中。由此，聯(lián)想到能否利用冷卻液中的廢熱來維持車輛停運后蓄電池的溫度。

2.基本情況

冷卻液性質：45.3%乙二醇水溶液 、冰點-25℃、密度：1.0586 g/cm3 、比熱容3.63 J/g*k。

冷卻液的工作溫度為75℃～90℃，家庭轎車容量通常為5～7升。

冷卻系統(tǒng)自帶循環(huán)泵提供動力。

12V車載鉛酸蓄電池常規(guī)體積為：250mm*175mm*200mm（長*寬*高）

頂蓋材料：ABS塑料，蓄電池整體與周圍有約30mm的間隙可利用。

3.保溫盒設計

保溫盒共分為三層。

最外層選用金屬料以保證強度，做成上端開口五面封閉的盒子，盒子厚度暫未定，上端開口是為了將蓄電池的上端裸露以散熱和不影響使用，在另外五面內部設計抽真空夾層，使對外的熱傳導最小，起到保溫效果。

中間層為冷卻液層，考慮使用氧化鋁等材料，只在保溫盒四壁設有而底部沒有，厚度為15mm，通過管道與冷卻系統(tǒng)的冷卻液管相連接，入口端在夾層上部，出口端在夾層下部，保證冷卻液流通時新的熱冷卻液能夠自上而下擠走上一次的較冷液體并充滿夾層成為新的熱源。在夾層與冷卻系統(tǒng)的連接管上設置與溫度傳感器連通的電子閥，溫度傳感器用于測量蓄電池側壁溫度。

內側層為隔熱層，與外層一樣為五面，厚度由具體情況而定，可使用聚氨酯泡沫等隔熱性能較好的材料，減緩中間層對內部的熱傳導，防止新熱源注入時瞬間過熱。

4.概念圖

5.工作原理

行車時保溫盒整體對蓄電池進行保溫，蓄電池自發(fā)熱并且只有上層散熱，使溫度維持在一定工作范圍內。

停車前打開電子閥通過將尚未冷卻的冷卻液導入中間層形成一堵高溫墻，使得蓄電池只有頂端對外散熱，而四圍由冷卻液作為一次性熱源透過隔熱層對內部的蓄電池進行緩慢的供熱，讓蓄電池和保溫盒形成一個總體，在停車的時間內與外界低溫環(huán)境只通過上部進行熱傳導，加大內部能量并減小對外交換。

5 可行性證明

1.參數(shù)選取和假設

（1）由于保溫盒主要用于停車時，可將頂蓋的ABS塑料表面看做無限大平板與環(huán)境間的非穩(wěn)態(tài)導熱并利用相關方法計算散熱量。

（2）保溫盒另外五面有真空層保溫，視為絕熱。

（3）自然對流系數(shù)可取1～10，此處取極限值為10，為最極端情況下上表面對環(huán)境的散熱量最大值。

（4）保溫時間設計為12小時（約為車輛日常使用時的最大值），蓄電池維持溫度為t0=25℃，冷卻液取較低溫度為75℃，外界環(huán)境為tf =-5℃。

（5）頂蓋ABS塑料參數(shù)：密度1050 kg/m3 比熱容：1600 J/kg*K 導熱系數(shù)：λ=0.209 W/m*K 厚度δ=18mm

2.計算過程

參考[1]中3.3.3，使用線圖法計算保溫所需熱量

初始溫度為25℃的蓄電池頂蓋在無內熱源的情況下會不斷進行對外進行非穩(wěn)態(tài)自然對流傳熱，令達到環(huán)境溫度的時間為τ，完全散熱的情況下有Q/Q0 =1。

畢渥數(shù)Bi=δh/λ= =0.86

熱擴散率a=λ/ρc==

查無限大平板Q/Q0曲線（[1]第130頁）得

當Q/Q0=1時，F(xiàn)o*Bi2=8.2 又Fo*Bi2= h2aτ/λ2

可列方程h2aτ/λ2 ==8.2，其中分子中τ為所需的散熱時間。

解得：時間τ為30000秒，即8.4小時。

總散熱量

Q0 =ρcv（t0-tf）==362.88J

則粗略計算12小時內所需能量：

Qm =362.88J*12h/8.4h=524.245J

冷卻液由75℃冷卻到25℃溫差有△t =50℃，則需要作為一次性熱源來抵消這一部分熱損失的冷卻液體積Vm為

Vm =Qm /cρ△t=2.7L

設計冷卻液夾層寬度為15mm，隔熱層暫定10mm

則最多可容納冷卻液為：

2.88L（數(shù)據(jù)單位為dm）

2.88L>2.7L又實際自然對流換熱系數(shù)<=10且在此設計下停車時蓄電池溫度應當高于25℃，則可提供足夠的熱量。

6 總結

以上假設及計算過程從理論上簡單驗證了使用高溫冷卻液作為一次熱源形成一層“熱墻”并通過隔熱層對內部蓄電池進行保溫在能量守恒上的可行性，計算誤差來源于圖表算法中讀圖的準確性和各部分計算中有效數(shù)字的選擇，另外由于蓄電池和保溫盒整體主要由頂部單面向低溫環(huán)境散熱，四周向內部導熱，會出現(xiàn)熱量分布不均的情況，如何合理的使用聚氨酯泡沫等隔熱材料和布置冷卻液夾層將決定了蓄電池是否會過熱。以上計算中取了最嚴重的散熱情況和冬季最高的冷卻液溫度，實際情況下加入新的冷卻液后溫度會比75℃低而靜止情況下自然對流系數(shù)將遠小于10，也就是說供給的冷卻液溫度和所需的冷卻液能量都不會那么極端，實際數(shù)值應當能夠在較為緩和的情況下擬合到一起，且應當有比以上更加合理和細致的設計。對此筆者在自身條件許可范圍內會使用fluent等模擬軟件對此進行進一步驗證和修改。

除了具體的保溫盒部分，控制新舊冷卻液替換的電子閥門應當可以和測量蓄電池溫度的熱傳感器以及車載電控系統(tǒng)甚至智能手機相連通以監(jiān)控并判斷保溫盒的工作狀態(tài)，確保不會對蓄電池溫度造成不良影響。對此，將另行研究，本文不進行探討。

參考文獻

[1]楊世銘.陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.8

[2] 馬洪斌. 閥控鉛酸蓄電池發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 蓄電池. 2004（03）

作者簡介

劉光遠（1994-），男，江蘇淮安人，河海大學機電工程學院2012級本科生。