汽車鉛酸蓄電池低溫加熱技術研究

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(huán)境下的正常起動。為解決特種車輛-41 ℃極低溫環(huán)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(fā)動機冷卻液對蓄電池進行加熱是曾經(jīng)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(huán)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(huán)境下蓄電池周圍加熱空氣的內(nèi)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(jié)構及充放電過程

1.1 鉛酸蓄電池的物理結(jié)構

鉛酸蓄電池是應用最廣泛的汽車蓄電池，其內(nèi)部物理結(jié)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(zhì)二氧化鉛和柵架組成，負極板由海綿狀純鉛活性物質(zhì)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(jié)構，由化學性能穩(wěn)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(nèi)。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(jié)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(fā)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(zhì)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?yōu)镻bSO4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(zhì)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(nèi)阻增加，內(nèi)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(xiàn)象，增加蓄電池低溫環(huán)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(huán)，進而實現(xiàn)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。空氣被加熱后，加熱器鼓風機經(jīng)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(huán)，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(diào)節(jié)，直至加熱器出風口溫度穩(wěn)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(diào)節(jié)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浴?/p>

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(tǒng)結(jié)構

為解決極低溫環(huán)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(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構如圖3所示。該加熱系統(tǒng)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(lián)接，聯(lián)接后再通過回風管、回風口、進風管與蓄電池箱聯(lián)接。

圖3 蓄電池空氣加熱系統(tǒng)結(jié)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(nèi)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(nèi)部空氣的流動狀況，探求本例蓄電池空氣加熱系統(tǒng)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(jié)構件，得到蓄電池箱分析計算模型（圖5）。蓄電池箱內(nèi)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(nèi)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(nèi)部支架、箱體內(nèi)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(wǎng)格劃分

先由ANSA軟件生成面網(wǎng)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(wǎng)格劃分技術進行體網(wǎng)格的劃分，得到蓄電池箱體-蓄電池-電解液及空氣層網(wǎng)格，見圖7、圖8、圖9。整體的網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格布局滿足分析精度和計算資源要求。

圖6 箱體內(nèi)部分析計算模型

4.3 計算域及邊界條件的確定

根據(jù)模型各部分物理參數(shù)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(wǎng)格

圖8 蓄電池網(wǎng)格

圖9 電解液及空氣層網(wǎng)格

表1 計算域設置

根據(jù)蓄電池加熱系統(tǒng)使用極寒溫度-41 ℃、燃油空氣加熱器介質(zhì)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(wěn)態(tài)（Implicit Unsteady），湍流模型選取Realizable K-Epsilon模型。

表2 邊界條件

4.4 分析結(jié)果

4.4.1 蓄電池箱內(nèi)流場分析結(jié)果

計算分析得到蓄電池箱內(nèi)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(nèi)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(jié)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(qū)域溫度變化較慢。

隨著蓄電池空氣加熱器的持續(xù)加熱，蓄電池表面溫度增加，內(nèi)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(qū)域，溫度上升較快。加熱30 min時，不考慮極板、隔板等內(nèi)部結(jié)構對溫升的影響，電解液平均溫度為-34.47 ℃，溫度較初始狀態(tài)上升6.53 ℃。鉛酸蓄電池正負極板活性物質(zhì)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(zhì)在電解液中的分散性較高，更有利于熱量在電解液內(nèi)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(shù)據(jù)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(huán)境條件的接近性，實驗環(huán)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(jù)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(jié)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。

圖10 蓄電池箱內(nèi)部流線圖

圖11 蓄電池壁面流線圖

圖12 加熱30min蓄電池壁面溫度分布

圖13 加熱30min電解液溫度分布

圖14 溫度傳感器布置圖

從溫度測試值可以看出，E測試點靠近蓄電池箱暖風進風口，電解液溫度上升最高，C測試點靠近蓄電池箱中部，其溫度上升最低。

求得蓄電池電解液平均溫升為21.65 ℃。不同環(huán)境溫度下蓄電池20 h放電率見表4。

表4 不同環(huán)境溫度下蓄電池20h放電率

利用線性插值算法求得蓄電池-41℃時20 h放電率為19.74%，加熱30 min電解液平均溫度為-19.35 ℃，此時蓄電池20 h放電率為47.24 %，蓄電池20h放電率提高了27.5 %，提高值是未加熱時蓄電池20 h放電率的1.4倍。

6 結(jié)論

鉛酸蓄電池內(nèi)流場分析及加熱實驗結(jié)果表明：采用循環(huán)加熱蓄電池周圍空氣的方法，可在規(guī)定的起動準備時間內(nèi)，顯著提高鉛酸蓄電池電解液的溫度，使蓄電池極低溫環(huán)境下的放電能力增加1.4倍，提高了車輛極低溫環(huán)境下的冷起動性能及極低溫環(huán)境下起動成功的概率。

表3 電解液溫度測試值

參考文獻：

［1］ 桂長清.實用蓄電池手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

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