中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 田 浩

中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院 潘垂宇

中國移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司 張 群△

0 引言

近年來，隨著新能源汽車的快速普及和性能的提升，鋰電池組功率密度不斷提高，電池發(fā)熱對(duì)電池組性能的影響及鋰電池充放電過程的熱安全性越來越受到重視[1]。研究表明，在相同的充放電倍率下，鋰電池內(nèi)部溫度均勻性越高，其整體動(dòng)力輸出性能越好[2-3]。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷式散熱相比，水冷散熱效果更好，熱安全性更高，特別是對(duì)鋰電池包內(nèi)部各單體電池溫度均勻性的控制效果遠(yuǎn)好于風(fēng)冷。近年來世界各大新能源汽車企業(yè)都投入巨資改善鋰電池液冷技術(shù)[4]，一方面降低充放電過程的過熱風(fēng)險(xiǎn)，另一方面提高電池組內(nèi)部溫度均勻性，從而提升整車動(dòng)力性能。

在現(xiàn)有的電池液冷技術(shù)中，水冷具有成本低、熱容量大、可控性好、安全性高等優(yōu)勢(shì)，是未來主流的鋰電池高效冷卻方式[5]，因此，對(duì)鋰電池組水冷架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱力學(xué)分析和優(yōu)化，具有實(shí)用性和應(yīng)用前景。

1 鋰電池組水冷布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化

目前，市場(chǎng)上單體鋰電池包集成后的車載鋰電池組如圖1所示。由于內(nèi)部包含許多傳感器和線路、管路，加上整車安裝空間的限制，鋰電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分緊湊，導(dǎo)致其在充放電過程中產(chǎn)生的熱量容易在內(nèi)部聚集。因此，有必要優(yōu)化鋰電池組冷卻架構(gòu)(水冷布局)，在相同的充放電條件和冷媒流量下，使管路結(jié)構(gòu)冷卻效果最好。

圖1 鋰電池結(jié)構(gòu)圖

目前國際上較主流的鋰電池組冷卻架構(gòu)研究方向包括：

1) 優(yōu)化管路形狀和布局，強(qiáng)化管路內(nèi)部冷媒流動(dòng)與傳熱性能。例如，用交錯(cuò)排列的單元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)增強(qiáng)流體的擾動(dòng)[6]；選用多孔介質(zhì)增加接觸換熱面積[7]；優(yōu)化風(fēng)道尺寸和形狀，設(shè)計(jì)不規(guī)則形狀的微流體通道，修正空氣的流動(dòng)邊界層，強(qiáng)化換熱效果[8-9]；在鋰電池封裝材料中摻入高熱容性材料，以降低汽車行駛過程中急速放電行為對(duì)電池的熱應(yīng)力沖擊[10]；等。

2) 建立鋰電池的熱-電耦合模型，從電化學(xué)產(chǎn)熱機(jī)理層面提出更高效、更經(jīng)濟(jì)的散熱方式。例如，通過對(duì)不同電極材料在不同環(huán)境下放電性能和產(chǎn)熱特性的聯(lián)合測(cè)試，建立新的鋰電池電極熱分布模型，預(yù)測(cè)鋰電池在不同放電狀態(tài)下的產(chǎn)熱密度分布[11-13]；通過建立等效電路模型實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池?zé)峁芾磉^程中SOC(荷電狀態(tài)，表征電池剩余容量)和續(xù)航能力的預(yù)測(cè)[14]；用單粒子模型模擬鋰電池電極的產(chǎn)熱行為特征[15-16]；將不同熱動(dòng)力學(xué)特性的多孔介質(zhì)模型融入電化學(xué)模型中，優(yōu)化電極熱流密度分布，從而提高鋰電池的放電熱均衡特性[17]；等。

3) 添加新型材料，改變鋰電池包的熱響應(yīng)特性。例如，利用輔助相變材料(PCM)和金屬膜材料，改善鋰電池在不均衡熱沖擊下的峰值溫度分布，提高鋰電池在復(fù)雜使用環(huán)境下的溫度均衡能力[18-19]；通過引入鋁基多孔金屬膜，改善鋰電池在特定溫度區(qū)間內(nèi)的相變蓄熱特性，提高鋰電池在某些極端低溫或高溫應(yīng)用場(chǎng)景下的熱耐受能力，延長使用壽命[20]；利用環(huán)路熱管極強(qiáng)的相變傳熱能力，設(shè)計(jì)一組特殊結(jié)構(gòu)的微型熱管，并優(yōu)化其布局，在不同的放電熱流分布條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池包的快速溫度均衡[21]；利用鋰電池電化學(xué)產(chǎn)熱機(jī)理，用添加了方向性導(dǎo)熱能力更強(qiáng)的特種磁性材料的液體，進(jìn)行微流量、高效散熱設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[22]；等。

上述研究方法在特定的鋰電池結(jié)構(gòu)和使用場(chǎng)景下，針對(duì)鋰電池傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型材料選擇、新型產(chǎn)熱模型構(gòu)建等方面取得了突破，并在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中獲得了成功，但其成果大多停留在理論建?；蛘邔?shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)層面，在工程領(lǐng)域的可復(fù)制性和可推廣性相對(duì)較弱。從分析方法上看，目前的研究普遍采用針對(duì)特定問題提出特定解決方案，再用實(shí)驗(yàn)觀察和場(chǎng)景測(cè)試作為方案驗(yàn)證和修訂的手段[23-25]，相對(duì)來說，缺少一種普適性的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。

2 鋰電池組散熱過程模型

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；T為主板表面溫度，K；To為冷卻水出口溫度，K；v為管路中冷卻水流速，m/s。

(5)

圖2 單體鋰電池在不同冷卻水進(jìn)口溫度下?lián)p失分布

圖3 熱力學(xué)優(yōu)值工況

3 水冷架構(gòu)及工況設(shè)計(jì)

圖4 車載鋰電池組水冷布局設(shè)計(jì)

目前，國際上較常用的鋰電池組水冷布局為圖4a和4b 2種，如特斯拉MODEL和寶馬i3。但根據(jù)汽車廠商實(shí)測(cè)結(jié)果，圖4a、b架構(gòu)中間區(qū)域的電池包(編號(hào)10～15)因熱量積累易發(fā)生過熱現(xiàn)象，影響電流、電壓的一致性，降低電池組整體充放電性能。圖4c、d架構(gòu)是在圖4a、b基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，在增加有限的水系統(tǒng)外包絡(luò)尺寸，少量的加工、裝調(diào)成本及基本不改變水壓分布的前提下，從熱力學(xué)角度進(jìn)一步優(yōu)化中心區(qū)域鋰電池包的溫度均勻性和熱力學(xué)平衡溫度，可達(dá)到更好的控溫效果，有效提升鋰電池的充放電性能和汽車?yán)m(xù)航里程，在工程上是可以接受的[11-12]。

表1 鋰電池包基本信息

表2 鋰電池水冷測(cè)試條件

圖5 18650鋰電池產(chǎn)品圖

圖6 鋰電池包水冷系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)物圖

電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所需要的電流值，在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常以字母C表示。1C表示1 h完全放電時(shí)的電流強(qiáng)度。如標(biāo)稱為2 200 mA·h的18650鋰電池在1C強(qiáng)度下1 h放電完成，此時(shí)該放電電流為2 200 mA。

電池充放電過程使用如圖7所示的車載鋰電池組動(dòng)力集成測(cè)試和分析平臺(tái)，對(duì)充放電過程的電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄和分析，該平臺(tái)具備高度的自動(dòng)化、集成化和智能分析功能，結(jié)合圖6的水冷架構(gòu)平臺(tái)，對(duì)圖4設(shè)計(jì)的4種冷卻布局進(jìn)行逐一測(cè)試分析。

圖7 車載鋰電池組動(dòng)力集成測(cè)試分析平臺(tái)

4 結(jié)果分析

根據(jù)集成測(cè)試平臺(tái)給出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖8給出了18650型單體鋰電池在1C(3 A持續(xù)3 600 s，300 K)和3C(9 A持續(xù)1 200 s，300 K)標(biāo)準(zhǔn)放電條件下的放電過程電壓擬合曲線。

圖8 1C和3C標(biāo)準(zhǔn)放電過程電壓擬合曲線

圖9 鋰電池水冷過程歸一化損失分析

表3 鋰電池組最優(yōu)熱力學(xué)性能(3C、300 K)

表4 鋰電池組最優(yōu)熱力學(xué)性能(1C、300 K)

5 結(jié)論與展望