謝永東,湯其明 ,何志剛 ,盤朝奉,3,徐興振

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州建設(shè)交通分院，江蘇 蘇州 215104；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

作為電動(dòng)汽車重要的儲(chǔ)能部件，動(dòng)力電池的性能受溫度影響較大[1]。溫度較高時(shí)，電池的使用壽命會(huì)明顯降低[2]；溫度較低時(shí)，電池充電能力下降，直接影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程[3-4]。因此需要對(duì)動(dòng)力電池組采取有效的熱管理。采用空氣冷卻和相變材料冷卻等方式主要通過(guò)對(duì)電池包外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱效果的改善，難以適應(yīng)在大容量大功率車輛動(dòng)力電池系統(tǒng)中應(yīng)用的散熱需求[5-8]。液體冷卻具有冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者及業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)[9-13]。A. Jarrett等[14]設(shè)計(jì)出一種內(nèi)置液冷管道的冷卻板，通過(guò)液體循環(huán)對(duì)方形電池進(jìn)行冷卻。S. Basu等[15]設(shè)計(jì)了一種新型液體冷卻劑的18650電池組熱管理系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建電化學(xué)熱模型和三維電池組熱流場(chǎng)分析模型，研究了不同放電電流和冷卻液流量情況下電池組的溫度場(chǎng)分布。本研究通過(guò)仿真分析并試驗(yàn)驗(yàn)證了電池在不同工況下的熱效應(yīng)，基于仿真分析以及試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池組液冷散熱結(jié)構(gòu)，并對(duì)冷卻效果影響因素進(jìn)行了分析。

1 導(dǎo)熱微分方程及仿真模型參數(shù)

選用某型三元鋰離子動(dòng)力電池為研究對(duì)象，其單體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。三元鋰電池具有比能量高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在耐高溫性能差等缺點(diǎn)[16-18]。電芯內(nèi)部采用卷繞結(jié)構(gòu)，由于卷繞電芯在工作時(shí)產(chǎn)熱不均勻，會(huì)造成局部溫度過(guò)高，長(zhǎng)此以往，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電芯性能降低。

圖1 單體三元鋰離子電池結(jié)構(gòu)

1.1 電池導(dǎo)熱微分方程

三維直角坐標(biāo)系下電池模組非穩(wěn)態(tài)傳熱模型可以表示為

(1)

式中：ρ為密度；θ為溫度；Cp為比熱容；t為電池放電時(shí)間；λx，λy，λz對(duì)應(yīng)3個(gè)正交方向x，y，z上的導(dǎo)熱系數(shù)；Qz為生熱量。

1.2 熱物性參數(shù)的獲取

熱物性參數(shù)的獲取是進(jìn)行電池發(fā)熱仿真分析的前提，其主要包括電池的密度、比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)。

1) 電池密度

電池密度可由單體的壓實(shí)密度來(lái)表示：

(2)

式中：mz為單體電池質(zhì)量；vz為電池體積。

2) 電池比熱容

電池比熱容采用質(zhì)量加權(quán)法計(jì)算求得：

(3)

式中：ci為電池不同部分材料的比熱容；mi為不同部分材料的質(zhì)量。

3) 電池的導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)清華大學(xué)Chen[19]等采用的一種類似于計(jì)算電路等效電阻的方法可以計(jì)算電池三維正交導(dǎo)熱系數(shù)，其表達(dá)式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：kp，kn，ks分別為鋰電池正電極、負(fù)電極和隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)；l，b和h分別為正電極材料、負(fù)電極材料和隔膜在x，y，z方向上的總厚度。

1.3 生熱速率的計(jì)算

生熱速率估算通?？梢圆捎美碚撚?jì)算或試驗(yàn)的方法。目前采用較多的是Bernardi等提出的電池的生熱模型[20]，計(jì)算公式可以表示為

(7)

1.4 電池的內(nèi)阻

電池的生熱主要與電池內(nèi)阻有關(guān)[21-23]，然而電池的內(nèi)阻受環(huán)境溫度變化影響。對(duì)電池進(jìn)行熱特性分析，必須明確不同溫度下電池阻值變化規(guī)律。將電池置于高低溫箱中，設(shè)置不同環(huán)境溫度，使用內(nèi)阻儀測(cè)量不同溫度下的電池阻值。將不同環(huán)境溫度下的電池內(nèi)阻值進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，結(jié)果見圖2。

電池內(nèi)阻與環(huán)境溫度多項(xiàng)式關(guān)系如式(8)所示：

Rt=-3.130 5e-5t3+0.002 309 1t2-
0.080 972t+15.986。

(8)

式中：Rt為電池內(nèi)阻；t為溫度。

由圖2可以看出：環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，電池內(nèi)阻隨溫度降低而快速增大；環(huán)境溫度在15～25 ℃時(shí)，電池內(nèi)阻基本保持不變；環(huán)境溫度較高，電池內(nèi)阻有降低的趨勢(shì)。

圖2 溫度與內(nèi)阻三次項(xiàng)擬合曲線

2 模組發(fā)熱分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 電池模組發(fā)熱模型的建立

電池模組由8塊單體電池以及一些電池支架等元件構(gòu)成(見圖3)。這些細(xì)小元件對(duì)傳熱影響不大，然而會(huì)大大增加建模的復(fù)雜程度，因此在對(duì)電池模組進(jìn)行三維建模時(shí)，可以將這些細(xì)小元件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將其熱物性參數(shù)加權(quán)平均到電池的參數(shù)里，這樣既省時(shí)，對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響也不大。圖4示出電池模組三維模型及網(wǎng)格模型。

圖3 電池模組

2.2 不同放電倍率下的發(fā)熱分析

根據(jù)純電動(dòng)汽車實(shí)車行駛工況規(guī)律及動(dòng)力電池測(cè)試規(guī)范，在室溫25 ℃(298.15 K)下對(duì)電池模組以0.7C和1.5C電流持續(xù)放電。

放電倍率為0.7C時(shí)，為了與試驗(yàn)溫度采集點(diǎn)比較，仿真分析選取y=15 mm截面溫度分布云圖(見圖5)。

圖5 y=15 mm截面溫度云圖(0.7C放電)

由圖5可知，以0.7C放電倍率放電結(jié)束時(shí)，電池模組的中心位置溫度最高，最高溫度為311.15 K(38 ℃)，溫升達(dá)到了13 ℃。

以1.5C放電倍率放電，放電結(jié)束后截取模組y=15 mm溫度云圖，如圖6所示。由圖6可知，電池模組以1.5C放電倍率放電，放電結(jié)束后中心最高溫度達(dá)到319 K，雖然放電時(shí)間減少，但由于熱量的快速積累，導(dǎo)致電池模組溫升較大，溫度上升21 ℃。

圖6 y=15 mm截面溫度云圖(1.5C放電)

2.3 不同放電倍率下溫升試驗(yàn)對(duì)比分析

2.3.1溫度傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)

溫度傳感器的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖7。由仿真可知，溫度較高的位置為電池模組的中心處，所以在電池偏向中心的位置布置四路溫度傳感器(模組正面和反面)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化。

圖7 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

將電池模組置于高低溫箱30 min，通過(guò)充放電設(shè)備對(duì)電池模組進(jìn)行0.7C恒流放電，設(shè)置為1 s采集一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)所得溫升數(shù)據(jù)擬合曲線，結(jié)果見圖8。放電前期，以0.7C倍率放電時(shí)，溫升速率較慢，放電至500 s時(shí)，即在A點(diǎn)處溫升速率開始變快，溫升急劇增加，這可能由于模組放電時(shí)熱量開始聚積還沒(méi)有及時(shí)散出去；在放電末期即B點(diǎn)處，由于電池容量較小時(shí)，內(nèi)阻急劇增大，電池發(fā)熱量迅速增加，模組的溫升速率會(huì)加快。

圖8 0.7C放電至結(jié)束溫升曲線

電池模組以0.7C放電倍率放電至結(jié)束，將仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均溫升與四路溫度傳感器采集的平均溫度數(shù)據(jù)做對(duì)比，繪制溫升曲線，如圖9所示。由圖9可知，0.7C放電倍率放電下仿真監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)采集的溫度數(shù)據(jù)誤差在±1.5 ℃之內(nèi)，側(cè)面證實(shí)了發(fā)熱仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖9 0.7C放電倍率下仿真與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫升對(duì)比

以1.5C放電倍率恒流放電，放電結(jié)束后將四路溫度傳感器采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果見圖10。由圖10可以看出，電池模組以1.5C放電結(jié)束溫升為20 ℃左右。與0.7C放電倍率相比，溫升上升明顯。通過(guò)試驗(yàn)與仿真對(duì)比，可以得出結(jié)論：環(huán)境溫度相同時(shí)，電池以大倍率持續(xù)放電相對(duì)于小倍率持續(xù)放電而言溫升更高。大倍率放電電流下，電池的生熱速率及熱量累積速率更快。進(jìn)一步分析大放電倍率下電池溫升更高的原因：由式(7)可知電池的生熱速率和充放電電流呈正相關(guān)關(guān)系，在電池體積一定的前提下，大電流放電，電池生熱速率變大，熱量累積速率快。因此，針對(duì)大倍率下放電電池溫升過(guò)高等情況，需要對(duì)電池組采取有效的散熱措施。

圖10 1.5C放電至結(jié)束溫升曲線

3 液冷管道設(shè)計(jì)及散熱影響因素分析

3.1 液冷管道模型

根據(jù)仿真及試驗(yàn)結(jié)果可知，電池模組發(fā)熱最高的位置位于模組的中心位置。本研究冷卻管道設(shè)計(jì)采用直徑為6 mm的U型銅管，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠有效地降低鋰電池組中心位置溫升。電池模組液冷三維模型見圖11。

圖11 電池模組液冷三維模型

3.2 液冷管道散熱影響因素分析

對(duì)電池液冷模組采用0.7C倍率持續(xù)放電。冷卻液入口流量設(shè)置為10 g/s。采用自然對(duì)流換熱方式，對(duì)流傳熱系數(shù)設(shè)置為2 W/(m2·K)。環(huán)境溫度25 ℃(298.15 K)下分析不同溫度的冷卻液及不同冷卻液種類對(duì)液冷散熱的影響。

3.2.125 ℃水冷下的電池模組散熱效果分析

液冷管道內(nèi)的冷卻液體為25 ℃的水。放電結(jié)束時(shí)，溫度云圖如圖12所示。由圖12可以明顯看出，電池模塊的中心位置熱量最集中，電池模組溫升為8 ℃。

圖12 25 ℃水冷散熱電池模組溫度云圖

試驗(yàn)分析采用的試驗(yàn)設(shè)備為電池模擬器EVT300—600—80、電池測(cè)試系統(tǒng)BTS600、冷卻液容器、高低溫濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱、循環(huán)水泵以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，液冷試驗(yàn)系統(tǒng)示意見圖13。

圖13 液冷試驗(yàn)系統(tǒng)示意

將高低溫箱的溫度設(shè)置為室溫(25 ℃，298 K)，電池模擬器的正極與負(fù)極連接電池模組正負(fù)極進(jìn)行放電，循環(huán)泵設(shè)置流速為600 mL/min。通過(guò)液冷管路對(duì)電池模組進(jìn)行液冷循環(huán)散熱，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器1、2、3、4間隔1 s采集一個(gè)溫度數(shù)據(jù)并利用數(shù)據(jù)通道傳送到電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行處理。當(dāng)放電結(jié)束后，將采集的溫度數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖14所示。

圖14 25 ℃水冷卻液溫升曲線

由圖14可知， 在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間，即處于放電500～2 000 s時(shí)，電池溫度上升的速度明顯快于放電前500 s，這是由于電池處于放電前期時(shí)電池發(fā)熱量較小，溫升不是太明顯，冷卻液溫度與電池溫度相差不是太大，散熱效果有限，而在放電500 s之后電池溫度上升，冷卻液開始進(jìn)行有效散熱。在放電末期即C點(diǎn)，由于電池容量急劇衰減，內(nèi)阻增大，電池發(fā)熱量增加，冷卻液無(wú)法及時(shí)帶走熱量，電池溫升相比放電前期明顯上升更快。四路溫度傳感器采集的溫升為9～10 ℃，與仿真分析結(jié)果基本一致，表明了液冷鋰電池組熱模型的準(zhǔn)確性。

為了分析采用U型液冷管道冷卻結(jié)構(gòu)散熱效果，對(duì)已布置液冷管道與未布置液冷管道的電池模組溫度場(chǎng)分布和溫升情況進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比布置與未布置液冷管道的電池模組仿真與試驗(yàn)溫升情況，0.7C放電倍率下，帶有U型管道的鋰電池組溫升降低了2 ℃左右，說(shuō)明設(shè)計(jì)的U型液冷管道有效，但是散熱效果不明顯。由于冷卻液采用的是25 ℃的水，而環(huán)境溫度和冷卻液的溫度差異小，不會(huì)出現(xiàn)傳熱和散熱現(xiàn)象，只有在電池模組內(nèi)的溫度高于25 ℃時(shí)，液冷管道才能帶走少量熱量。為使液冷管道效果達(dá)到最佳，采用其他具有不同熱物性參數(shù)的冷卻介質(zhì)進(jìn)行分析。

3.2.225 ℃乙二醇水溶液冷卻下的電池模組散熱效果分析

環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，液冷管道內(nèi)的液體為乙二醇型冷卻液，對(duì)電池模組以0.7C放電倍率持續(xù)放電，溫度云圖如圖15所示。由圖15可知，當(dāng)冷卻液由水變?yōu)橐叶紩r(shí)，放電結(jié)束后，電池模組的溫升為10 ℃左右。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，進(jìn)行試驗(yàn)分析。

圖15 25 ℃乙二醇水溶液散熱電池模組溫度云圖

試驗(yàn)環(huán)境條件與仿真一致，但是需要冷卻液采用25 ℃的乙二醇型冷卻液，放電結(jié)束后，將溫升數(shù)據(jù)繪制如圖16所示曲線。通過(guò)仿真與試驗(yàn)對(duì)比可知：同樣的條件下，在放電前期A點(diǎn)以及放電中期B點(diǎn)電池溫升速率較冷卻液采用水時(shí)更小，說(shuō)明乙二醇型冷卻液的冷卻效果相對(duì)于水來(lái)說(shuō)更好一些，所以在冷卻液的選擇方面，傾向于導(dǎo)熱系數(shù)更好的液體。

圖16 25 ℃乙二醇水溶液溫升曲線

3.2.310 ℃乙二醇水溶液冷卻下的電池模組散熱效果分析

液冷管道內(nèi)的液體采用10 ℃的乙二醇，對(duì)電池模組進(jìn)行仿真分析，溫度云圖如圖17所示。由圖17的溫度云圖可見：鋰電池組整體溫度不高，溫升為4 ℃左右，液冷效果明顯。

試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，試驗(yàn)條件不變，采用10 ℃的乙二醇溶液。放電結(jié)束后，4路溫度傳感器采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制如圖18所示曲線。

由圖18可知，鋰電池組整體溫升不高。由于冷卻液溫度比環(huán)境溫度低很多，在放電過(guò)程中，模組內(nèi)部熱量沒(méi)有大量累積，冷卻液能夠有效地帶走電池模組產(chǎn)生的熱量。采用10 ℃的乙二醇溶液散熱效果較好，可以讓電池在最佳溫度范圍內(nèi)工作。

4 結(jié)論

根據(jù)電池模組在不同放電倍率下發(fā)熱仿真并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了所建立生熱模型的準(zhǔn)確性。由電池模組的發(fā)熱分析設(shè)計(jì)液冷管道，并進(jìn)行液冷散熱影響因素分析，得出以下結(jié)論：

a) 環(huán)境溫度對(duì)鋰電池內(nèi)阻影響較大，溫度較低時(shí)，電池內(nèi)阻急劇變大；常溫下電池內(nèi)阻變化不大，當(dāng)環(huán)境溫度進(jìn)一步升高，電池內(nèi)阻有減小的趨勢(shì)；

b) 通過(guò)仿真與試驗(yàn)對(duì)比，可以驗(yàn)證U型液冷管道能夠及時(shí)有效地帶走電池模組中心產(chǎn)生的熱量，液冷散熱效果明顯；

c) 分析了兩種熱物性參數(shù)不同的冷卻液對(duì)電池模組的液冷散熱影響，結(jié)果表明：冷卻液導(dǎo)熱系數(shù)越高，液冷散熱效果越好；

d) 進(jìn)一步分析了冷卻液溫度對(duì)電池模組散熱效果的影響，冷卻液溫度越低，電池溫升越小，散熱效果越好。