彭宇明，袁明曉，敬卓鑫，張永林，黃 港

（1.先進(jìn)驅(qū)動節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心，成都 610036；2.西南交通大學(xué)汽車與能源動力研究所，成都 610036）

前言

隨著能源與環(huán)境多重壓力的持續(xù)增長，世界各國大力推動新能源汽車的發(fā)展，新能源汽車逐漸成為乘用車市場的主流。有數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全國新能源汽車保有量占汽車總量的1.75%，達(dá)到492萬輛，與2019年相比，增長29.18%，增量達(dá)到111 萬輛。其中，純電動汽車保有量占新能源汽車總量的81.32%，達(dá)到400 萬輛。新能源汽車增量連續(xù)3 年超過100 萬輛。動力電池作為純電動汽車的核心設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展將成為電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵。鋰離子動力電池憑借其單體額定電壓高、比能量大、使用循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在電動汽車領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。但是鋰離子電池對溫度的敏感性使其適應(yīng)性能大打折扣。有研究表明，在持續(xù)45 ℃環(huán)境溫度下工作時，電池的循環(huán)次數(shù)減少近60%，電池單體之間的溫度差異也會加劇不一致性和不均速老化，造成整個電池系統(tǒng)性能和壽命的不一致。

當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)針對動力電池系統(tǒng)的發(fā)熱散熱特性開展了大量研究，這些研究大多數(shù)只考慮整個動力電池包或者電池模組系統(tǒng)層面的熱管理研究。然而，在動力電池Pack 結(jié)構(gòu)設(shè)計中，比較常見的金屬輔件主要是鈑金件、匯流鎳片、導(dǎo)電銅排等，受到焦耳熱和電池?zé)醾鲗?dǎo)的影響，這幾種金屬附件在長時間的使用后都會出現(xiàn)不同程度的表面涂層脫落，這一現(xiàn)象會影響動力電池Pack 的后續(xù)正常使用，從而誘發(fā)更嚴(yán)重的事故?，F(xiàn)在動力電池系統(tǒng)一般通過配置液冷系統(tǒng)來匹配大功率放電工況，但是液冷板更容易在模組底部布置，對模組上部匯流排較難起到迅速散熱作用。除此之外，現(xiàn)行方形動力電池包內(nèi)的溫度采集傳感器大多布置在電芯頂部靠近匯流排的區(qū)域，匯流排產(chǎn)生的熱量將會對溫度采集造成一定影響，且高溫在模組頂部聚集，將會加劇電芯內(nèi)部溫度的不均衡程度。針對上述現(xiàn)象，本文中將以某動力電池模組為研究對象，分別建立電芯的電化學(xué)模型和匯流排的電熱模型，通過將電芯溫度場與匯流排溫度場進(jìn)行耦合分析，總結(jié)在匯流排產(chǎn)熱影響下的動力電池模組溫度場分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，將冷卻板布置在模組側(cè)面，并研究冷卻板尺寸、冷卻液濃度和冷卻液入口流速對冷卻效果的影響，從而對冷卻系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 電芯熱模型建立與驗證

1.1 電芯參數(shù)與3維模型

本文中所采用的電芯為某磷酸鐵鋰電池，主要包含正負(fù)極柱和電芯內(nèi)核兩部分。電芯參數(shù)見表1。其實物和三維模型如圖1 所示，電池厚48 mm，寬174 mm，長128 mm（不包含極耳，極耳厚5 mm，半徑為8 mm）。

圖1 電芯實物及3維模型

表1 電芯參數(shù)表

1.2 電芯熱物性參數(shù)

鋰離子電芯熱物性參數(shù)包括電池密度、電池導(dǎo)熱系數(shù)、電池比熱容。

電池密度：

電池導(dǎo)熱系數(shù)：

電池比熱容：

式中：λ、λ、λ為電池沿著方向的導(dǎo)熱系數(shù)；L為電池各層厚度；λ為電池各層導(dǎo)熱系數(shù)。

根據(jù)上述理論計算公式結(jié)合電池材料信息得到本文所研究的方形鋰離子電池的熱物性參數(shù)，如表2所示。

表2 熱物性參數(shù)表

1.3 電芯生熱傳熱模型

鋰離子電池工作時產(chǎn)生的熱量主要由電化學(xué)反應(yīng)熱、極化熱、歐姆內(nèi)阻熱和SEI 膜分解熱組成。電池單體的生熱率受電流密度、荷電狀態(tài)和環(huán)境溫度等因素影響，具有高度非線性，因此在實際研究中，許多學(xué)者采用Bernardi 等建立的生熱速率模型進(jìn)行計算。Bernardi 電池生熱速率方程為

式中：為電芯生熱速率，W/m；為工作電流，A；為電池總體積，m；為電池的開路電壓，V；為電池的工作電壓，V；為電池的溫度，K。

根據(jù)相關(guān)實驗分別測得不同放電倍率下電池的開路電壓和工作電壓后，代入上述公式計算出不同放電倍率下的生熱速率，再利用K.W.E.Cheng恒流放電SOC 計算式擬合出生熱速率隨時間變化函數(shù)，計算式為

式中：()指電池充放電初始時刻的值，充電時間可取0，放電時間可取1；指充放電電流，充電為正，放電為負(fù)，A；指電池額定容量，A·h；指時間，s。

最終擬合出不同放電倍率下電芯的生熱速率隨時間變化函數(shù)，如表3所示。

表3 不同放電倍率下生熱速率函數(shù)表

1.4 電芯熱模型仿真與驗證

利用COMSOL Multiphysic 數(shù)值分析軟件對電芯進(jìn)行數(shù)值仿真分析，對流換熱系數(shù)采用8 W/（m·K），電芯初始溫度和環(huán)境溫度均為25 ℃，分別計算放電倍率為0.5C、1C、1.5C時的溫度場。

同時為了驗證電芯數(shù)值仿真計算模型結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計相關(guān)初始環(huán)境溫度下的電池單體倍率放電實驗，并利用多路溫度測試儀采集電池表面溫度數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行比對，結(jié)果如圖2所示。

圖2 電芯熱模型仿真與實驗結(jié)果對比圖

分析結(jié)果可知：在放電倍率為0.5C 時，放電結(jié)束后電芯仿真溫度為37.24 ℃，實驗溫度為36.6 ℃，誤差為1.75%；在放電倍率為1C 時，放電結(jié)束后電芯仿真溫度為42.91 ℃，實驗溫度為43.1 ℃，誤差為0.44%；在放電倍率為1.5C 時，放電結(jié)束后電芯仿真溫度為48.62 ℃，實驗溫度為48.8 ℃，誤差為0.37%。3 種工況誤差均在2%以內(nèi)，符合工程應(yīng)用的誤差要求，下文將利用本模型進(jìn)行模組的建模。

2 匯流排產(chǎn)熱影響下的模組熱仿真分析

在模組熱仿真中加入?yún)R流排所產(chǎn)生的溫度場，討論匯流排上產(chǎn)生的焦耳熱對模組溫度場的影響。

2.1 模組的3維模型

本文研究所用模組系某款動力電池模組，采用3P4S 布置方式，共12 個電芯，電芯和電芯之間留有3 mm 間隙。由于受到計算機(jī)硬件條件和仿真軟件計算能力的限制，同時復(fù)雜幾何模型劃分網(wǎng)格所得的網(wǎng)格質(zhì)量較低，因此有必要對電池模組進(jìn)行幾何簡化處理?？紤]到模組內(nèi)主要熱源為匯流排及電芯，且本文主要探究對象是匯流排產(chǎn)熱對電芯溫度場的影響，因此只保留電芯和匯流排兩部分，省去模組上部塑料外殼和其他緊固件。此外，匯流排上面的熱量來源為焦耳熱，其主要經(jīng)過極柱通過熱傳導(dǎo)傳遞給電芯，匯流排的結(jié)構(gòu)形狀對其熱量的傳遞影響有限，因此對匯流排3 維模型做相應(yīng)的平滑簡化處理，保留其整體尺寸。簡化后模組3維模型如圖3所示。

圖3 模組3維模型圖

2.2 模組溫度場仿真

匯流排參數(shù)如表4 所示。其上通過電流產(chǎn)生焦耳熱，因此本研究借助COMSOL Multiphysic 多物理場仿真軟件，以焦耳熱為熱源在匯流排上進(jìn)行固體熱傳導(dǎo)，從而將電場和焦耳熱物理場進(jìn)行耦合，通過輸入電場邊界條件計算熱場。

表4 匯流排參數(shù)表

同電芯熱模型一樣，分別設(shè)置0.5C、1.0C 和1.5C 3 種工況，匯流排上對應(yīng)的電流分別為120、240 和360 A，放電時間分別為7 200、3 600、2 400 s，環(huán)境溫度和模組初始溫度均為25 ℃，模組仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 模組仿真溫度場云圖

可以看到，在放電結(jié)束后，高倍率放電工況下匯流排上產(chǎn)生的熱量對模組電芯頂部區(qū)域的溫升影響較大，尤其是極柱和電芯接觸部位，且匯流排自身溫升幅度也比較大。如圖5 所示，在0.5C 工況下匯流排上產(chǎn)生的熱量對模組溫度場影響有限。在1C 工況下，匯流排上體平均溫度達(dá)到59.764 ℃，在此影響下模組上表面平均溫度達(dá)到54.037 ℃，模組電芯的體平均溫度達(dá)到50.435 ℃。在1.5C 工況下，匯流排上體平均溫度達(dá)到75.826 ℃，受其影響，模組上表面平均溫度達(dá)到61.527 ℃，而模組電芯的體平均溫度也升至54.303 ℃。

圖5 模組溫度場仿真數(shù)據(jù)

受模組結(jié)構(gòu)限制，目前大多數(shù)方形動力電池溫度采集裝置布置在模組電芯頂部靠近匯流排區(qū)域，在大倍率放電情況下，模組頂部區(qū)域溫度在匯流排溫度場影響較大，不可避免地會造成溫度測量的較大偏差，從而造成控制系統(tǒng)對電芯荷電狀態(tài)及溫度閾值的錯誤估計，進(jìn)而會嚴(yán)重影響電池管理、功率輸出和整車的控制策略。

3 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計與影響因素分析

本文研究的模組原有冷卻系統(tǒng)布置在模組下方，在前述分析中可以看出，頂部的匯流排產(chǎn)生的焦耳熱在高倍率放電工況下對模組頂部的溫升影響較大，因此需要進(jìn)行有針對性的改進(jìn)設(shè)計。在本部分研究中，由于篇幅受限，且低倍率下匯流排產(chǎn)生的熱量對電芯溫度場影響有限，只進(jìn)行1.5C 倍率放電工況的研究。

3.1 原冷卻系統(tǒng)冷卻效果仿真分析

原冷卻系統(tǒng)布置在模組下方，冷卻管道結(jié)構(gòu)如圖6所示，冷卻板厚度為6 mm，冷卻管道截面尺寸為4 mm×8 mm，冷卻液采用水為冷卻介質(zhì)，冷卻液入口設(shè)計流量為1 L/min，冷卻液初始溫度為25 ℃。

圖6 模組原冷卻系統(tǒng)布置示意圖

模組溫度場分布等值面圖如圖7 所示，受冷卻系統(tǒng)影響，模組電芯底部的溫度較低，模組頂部和底部形成較大溫差，溫差達(dá)到24.988 ℃，加劇了電芯內(nèi)部的溫度不均衡程度。原有的冷卻系統(tǒng)對電芯有一定的冷卻效果，電芯體平均溫度由54.303 降至45.849 ℃，但是對匯流排和模組頂部的冷卻效果有限，如圖8 所示，當(dāng)冷卻系統(tǒng)布置在底面時，匯流排上體平均溫度僅降低1.577 ℃，模組頂部表面平均溫度僅降低7.112 ℃。

圖7 原冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果溫度云圖

圖8 原冷卻系統(tǒng)冷卻效果對比圖

綜上所述，原有冷卻系統(tǒng)雖然能對電芯的溫度進(jìn)行一定程度的冷卻散熱，但是對模組頂部和匯流排上的高溫問題并未有實質(zhì)性的改善，且加大了電芯頂部和底部的溫差，因此需要針對此問題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

3.2 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計及仿真分析

針對前述研究所呈現(xiàn)的問題，選擇將冷卻板布置在電芯兩側(cè)，同時針對極柱和電芯連接部位產(chǎn)生的高溫區(qū)域，將冷管管道重新進(jìn)行設(shè)計，如圖9 所示，冷卻管道呈“巨”字型設(shè)計，以期能夠?qū)ι鲜鰠^(qū)域進(jìn)行有效散熱。冷卻板厚度同樣采用6 mm，冷卻管道截面管道尺寸仍舊為4 mm × 8 mm，冷卻液采用水為冷卻介質(zhì)，入口流量同樣為1 L/min，冷卻液初始溫度和環(huán)境溫度為25 ℃。

圖9 改進(jìn)后冷卻系統(tǒng)布置示意圖

仿真結(jié)果如圖10 所示?？梢钥吹?，冷卻板布置在兩側(cè)后，電芯更加均勻地向兩側(cè)散熱。其中，電芯體平均溫度為43.455 ℃，匯流排上體平均溫度為66.596 ℃，模組頂部表面平均溫度為48.432 ℃，頂部和底部平均溫差為5.677 ℃，如圖11 所示。相比較于原冷卻系統(tǒng)，電芯體平均溫度下降2.394 ℃，匯流排上體平均溫度下降7.663 ℃，模組頂部表面平均溫度下降5.983 ℃，頂部和底部溫差則縮小了19.311 ℃。

圖10 改進(jìn)冷卻系統(tǒng)布置位置后模組溫度場云圖

圖11 改進(jìn)冷卻系統(tǒng)布置位置前后冷卻效果對比

綜上所述，將冷卻板布置在側(cè)面能夠有效降低電芯溫度的同時能夠針對模組的頂部區(qū)域和匯流排進(jìn)行有效冷卻。

3.3 冷卻系統(tǒng)冷卻效果影響因素分析

原冷卻系統(tǒng)采用水作為冷卻介質(zhì)，雖然水的比熱容較大，但水的冰點較高，在冬季容易受冷結(jié)冰，冷卻板布置方式調(diào)整后，擬采用乙二醇水溶液作為冷卻液，乙二醇在工程中通常作為防凍劑，其和水混合后能改變冷卻水的蒸氣壓，冰點會顯著降低。通過研究冷卻板厚度、乙二醇水溶液體積濃度和冷卻液入口流量對冷卻效果的影響，在保證冷卻效果的同時選取更合適的優(yōu)化設(shè)計方案。

3.3.1 冷卻板厚度對冷卻效果的影響

由于冷卻板布置在側(cè)面將占用整個電池包的橫向空間，設(shè)計合適的冷卻板厚度既能保證冷卻效果同時兼顧電池包的空間利用率。本研究分別設(shè)計冷卻板厚度為3、4、5、6、7 和8 mm，先以水作為冷卻液分析不同冷卻板厚度對冷卻效果的影響，與之相對應(yīng)的冷卻管道寬度分別為1、2、3、4、5和6 mm。

圖12～圖14所示分別為不同冷卻板厚度對電芯體平均溫度、匯流排體平均溫度和模組頂部表面平均溫度的冷卻效果影響圖。可以看出：冷卻效果隨著冷卻板厚度的逐步增加而逐漸加強(qiáng)，但當(dāng)冷卻板達(dá)到6 mm 之后，溫度下降趨勢逐漸趨于緩和，此時再增加冷卻板厚度，冷卻效果提升的不夠明顯。綜上所述，當(dāng)冷卻板布置在模組側(cè)面時，厚度選取6 mm較為合適。

圖12 冷卻板厚度對電芯體平均溫度的影響

圖13 冷卻板厚度對匯流排體平均溫度的影響

圖14 冷卻板厚度對模組頂部表面平均溫度的影響

3.3.2 冷卻液體積濃度對冷卻效果的影響

依次設(shè)置體積濃度為20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%的乙二醇水溶液作為冷卻液，冷卻板厚度采用6 mm進(jìn)行仿真，分析冷卻液濃度對冷卻效果的影響。圖15～圖17所示分別為不同濃度乙二醇水溶液對電芯體平均溫度、匯流排體平均溫度和模組頂部表面平均溫度的冷卻效果影響圖。

圖15 冷卻液濃度對電芯體平均溫度的影響

圖16 冷卻液濃度對匯流排體平均溫度的影響

圖17 冷卻液濃度對模組頂部表面平均溫度的影響

分析結(jié)果可知：冷卻液濃度越低冷卻效果越好，當(dāng)冷卻液濃度從40%降低至30%時，冷卻效果提升明顯。同時由表5 可知，30%體積濃度乙二醇水溶液冰點為-16.2 ℃，低于20%體積濃度乙二醇水溶的冰點，考慮到我國除去極北部地區(qū)和高寒地區(qū)外大部分區(qū)域的冬季低溫環(huán)境，選取體積濃度為30%的乙二醇水溶液作為冷卻液，在保證冷卻效果的同時能改善冷卻液冰點高的問題。

表5 不同乙二醇水溶液濃度的冰點

3.3.3 冷卻液入口流量對冷卻效果的影響

依次設(shè)置入口流量為1、2、3、4、5 和6 L/min，以體積濃度30%的乙二醇水溶液作為冷卻液，冷卻板厚度設(shè)置為6 mm 進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖18～圖20所示。

圖18 冷卻液入口流量對電芯體平均溫度的影響

圖19 冷卻液入口流量對匯流排體平均溫度的影響

圖20 冷卻液入口流量對模組頂部表面平均溫度的影響

分析結(jié)果可知：隨著入口流量的增加，冷卻效果逐漸加強(qiáng)，但是當(dāng)入口流量達(dá)到2 L/min 以后，冷卻效果隨著入口流量的增加加強(qiáng)趨勢逐漸趨于緩和，此時再增加入口流量將會增大冷卻液抽取泵的功率負(fù)荷，因此選取冷卻液入口流量為2 L/min 最為合適。

綜合前述分析，冷卻系統(tǒng)改進(jìn)為以30%體積濃度乙二醇水溶液作為冷卻液，冷卻板厚度設(shè)計為6 mm，冷卻液入口流量設(shè)計為2 L/min，最終模組溫度場如圖21所示。

圖21 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化后模組溫度場云圖

經(jīng)計算，此時電芯體平均溫度為43.196 ℃，匯流排體平均溫度為66.368 ℃，模組頂部表面平均溫度為48.259 ℃。圖22 所示為將冷卻液替換為乙二醇水溶液之后，通過調(diào)整冷卻板厚度、冷卻液入口流量和冷卻液濃度，選定冷卻板厚度為6 mm、冷卻液入口流量為2 L/min、冷卻液體積濃度為30%時和以水作為冷卻介質(zhì)時的冷卻效果對比圖，可以看出前后冷卻效果趨于一致。

圖22 30%乙二醇水溶液和水的冷卻效果一致圖

綜上所述，以30%體積濃度乙二醇水溶液作為冷卻液，冷卻板厚度設(shè)計為6 mm，冷卻液入口流量設(shè)計為2 L/min 最為合適，改進(jìn)設(shè)計后在滿足冷卻效果的同時也解決了冷卻液冰點較高、低溫容易凝固的問題。

4 結(jié)論

為改善模組匯流排產(chǎn)熱對模組溫度的影響，本文用Bernardi 生熱速率方程建立了方形磷酸鐵鋰電芯的熱模型，并進(jìn)行仿真和實驗驗證。在此基礎(chǔ)上利用仿真軟件建立了匯流排產(chǎn)熱影響下的模組熱仿真模型。通過調(diào)整原模組冷卻系統(tǒng)的布置位置，分析冷卻板厚度、冷卻液體積濃度和冷卻液入口流量3 種因素對冷卻效果的影響，對原冷卻系統(tǒng)進(jìn)行綜合改進(jìn)設(shè)計，結(jié)論如下：

（1）本文建立的電芯熱仿真模型所計算的電芯溫度場與實驗所測的數(shù)據(jù)基本吻合，0.5C 工況下誤差為1.75%、1C 工況下誤差為0.44%、1.5C 工況下誤差為0.37%，模型準(zhǔn)確度較高；

（2）利用仿真分析模組原有冷卻系統(tǒng)的弊端，有針對性地對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，在冷卻板布置方式上提出將冷卻板布置在模組側(cè)面，改進(jìn)冷卻板布置方式后，模組匯流排體平均溫升降低了15.56%，電芯體平均溫升降低了11.48%，模組頂部表面平均溫升降低了20.34%，同時模組電芯上的溫度分布也更加均勻；

（3）通過分析冷卻板厚度、冷卻液體積濃度和冷卻液入口流量3 種因素對冷卻效果的影響，最終確立冷卻板設(shè)計厚度為6 mm，冷卻液選取體積濃度為30%的乙二醇水溶液，冷卻液入口流量設(shè)計為2 L/min。