某車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池組冷卻系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

徐志龍 朱曉瓊 田玉冬 吳旭陵 余 萬(wàn)

(1. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200093； 2. 上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 商用車(chē)技術(shù)中心， 上海 200940； 3. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的心臟，是電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力之源[1-2]．隨著國(guó)家相關(guān)政策對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程、安全性能和電池能量密度要求的提升，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的熱管理技術(shù)提出了越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3-4]．常用的動(dòng)力電池散熱方式有空氣冷卻，液體冷卻，制冷劑直接冷卻以及相變材料冷卻等．空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但散熱性能較差；液體冷卻技術(shù)成熟，冷卻效果較好，目前應(yīng)用廣泛；直接冷卻效果較好，但制冷劑分配較難，目前應(yīng)用較少；相變材料冷卻成本較高，目前應(yīng)用尚不普及[5-8]．本文采用液體冷卻方式．

以某電芯廠生產(chǎn)的動(dòng)力電池模組為研究對(duì)象，通過(guò)仿真分析了水平路面90 km/h勻速工況下電池的發(fā)熱量以及溫度場(chǎng)的分布，并結(jié)合試驗(yàn)研究了電池測(cè)試過(guò)程中的溫感布置方式和實(shí)測(cè)電芯溫度，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，改善了散熱效果，加快了此種型號(hào)電池箱市場(chǎng)化的進(jìn)程．

1 電池箱結(jié)構(gòu)及其模型建立

1.1 電池箱體結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象為某公司生產(chǎn)的三元鋰離子電池，電池箱體為L(zhǎng)型，下箱體內(nèi)采用集成式液冷板，其上安裝4個(gè)模組，如圖1所示．電池成組相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1．

圖1 鋰離子電池箱結(jié)構(gòu)示意圖

模組數(shù)量電芯數(shù)量單電芯電壓/V成組方式額定電壓/V額定電量/Ah箱體材質(zhì)4個(gè)96個(gè)3.72P96S35526鑄鋁

每個(gè)模組都由多層材料組成，依次為導(dǎo)熱硅膠墊、電芯、框架泡棉、電芯、導(dǎo)熱硅膠墊、鋁制導(dǎo)熱片．其中框架泡棉主要起固定和緩沖作用，鋁導(dǎo)熱片主要用于增強(qiáng)模組的縱向?qū)崮芰Γ瑢?dǎo)熱硅膠墊用于使電芯和鋁導(dǎo)熱片緊密接觸．

1.2 電池組的能量平衡

由傅里葉定律和能量守恒，可得出電池的三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為[9]：

(1)

式中，ρ為密度，τ為時(shí)間，c為比熱容，Φ為內(nèi)熱源強(qiáng)度，x、y、z分別為x、y、z三個(gè)方向的熱導(dǎo)率．對(duì)于動(dòng)力電池而言，其內(nèi)熱源的生成熱的大小是求解溫度場(chǎng)分布的關(guān)鍵．

鋰離子電池的最佳工作溫度為20～45℃，電池內(nèi)部的產(chǎn)熱量主要包括：焦耳熱Qj、極化熱Qp、反應(yīng)熱Qr和副反應(yīng)熱Qs[10]，即

Q=Qj+Qp+Qr+Qs(2)

由于鋰離子電池只有在過(guò)充或過(guò)放的情況下才會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，在實(shí)際工作過(guò)程中會(huì)避免此種現(xiàn)象的發(fā)生，因此Qs可以忽略不計(jì)[11]．電池內(nèi)部的焦耳熱是電池產(chǎn)熱的主要來(lái)源，由焦耳定律可得：

Qj=I2Re(3)

式中，I為充放電過(guò)程中的電流大小(A)；Re為電池的內(nèi)阻(Ω)．

鋰離子電池在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)伴隨著鋰離子的移動(dòng)，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生(放電)或吸收(充電)大量的熱量，Qr可以通過(guò)式(4)計(jì)算：

(4)

式中，N表示電池?cái)?shù)量；I為當(dāng)前工況下的電流(A)；m為電極質(zhì)量(g)；M為摩爾質(zhì)量(g/mol)；q表示電化學(xué)反應(yīng)(J)；F為法拉第常數(shù)，96 484.5 C/mol．

鋰離子電池在一定倍率充放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極化內(nèi)阻，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生極化熱，其計(jì)算公式為：

Qp=I2Rp=I2(RΩ+Rn+Rd) (5)

式中，Rp為極化內(nèi)阻阻值，RΩ為歐姆極化內(nèi)阻，Rn為濃差極化造成的內(nèi)阻，Rd為電化學(xué)極化內(nèi)阻，單位均為Ω．

1.3 電池組的有限元模型

為縮短計(jì)算時(shí)間、保證網(wǎng)格質(zhì)量，在不影響計(jì)算精度的前提下，在網(wǎng)格劃分前對(duì)電池模組進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，模組僅保留電芯、導(dǎo)熱墊和導(dǎo)熱翅片，采用Hypermesh將模組劃分為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為608萬(wàn)個(gè)．電池箱中各材料屬性見(jiàn)表2．

表2 電池箱材料屬性

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，假定電池箱中每塊方型電芯的工作性能一致，不考慮電池組因受熱而導(dǎo)致的變形，且流體為不可壓縮物質(zhì)．利用FLUENT軟件進(jìn)行仿真分析，冷卻液的流動(dòng)類(lèi)型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，將流體和固體相接觸的界面設(shè)置為耦合傳熱邊界．設(shè)定電動(dòng)汽車(chē)以90 km/h的速度在水平道路上勻速行駛，環(huán)境溫度30℃，冷卻液入口溫度12℃，流量12 L/min．單電芯經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得發(fā)熱量為10.5 W，xx、yy、zz3個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1 W/(m·K)，32.5 W/(m·K)和32.5 W/(m·K)．

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)的電池箱共包含4個(gè)電池模組，每個(gè)模組包含24塊電芯，電芯按照?qǐng)D2所示箭頭方向進(jìn)行編號(hào)．模組1、2從左至右電芯編號(hào)為從1～24；模組3、4從上到下電芯編號(hào)為1～24．每塊模組選擇其中3塊電芯檢測(cè)溫度，每個(gè)電芯上布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布如圖3所示．

圖2 電芯編號(hào)示意圖

圖3 電芯監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布圖

溫感布點(diǎn)共102個(gè)，分為電芯級(jí)、模組級(jí)、水冷板和pack級(jí)，具體溫感分布數(shù)量及布點(diǎn)電芯編號(hào)見(jiàn)表3．

表3 溫感分布數(shù)量

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在3種工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．實(shí)驗(yàn)中車(chē)速為90 km/h，冷卻液入口溫度為12℃．實(shí)驗(yàn)1中環(huán)境溫度為20℃，水泵流量為12 L/min，此時(shí)壓縮機(jī)不工作，冷卻液在冷卻系統(tǒng)中自循環(huán)，也即冷卻液吸收電池產(chǎn)生的熱量，在水冷板中未與制冷劑換熱，冷卻液未被冷卻．實(shí)驗(yàn)2、3中環(huán)境溫度為30℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，水泵流量分別為6.7 L/min和12 L/min．

2 結(jié)果與分析

2.1 電池組溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

仿真計(jì)算時(shí)在每個(gè)模組上分別設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共4個(gè)，用以監(jiān)測(cè)電芯的溫度變化，電池各模組溫度溫升曲線如圖4所示．

圖4 電池組各模組溫升曲線

由仿真結(jié)果可得，電池組的最高溫度為49.2℃，最低溫度為34.8℃，最大溫差為14.4℃，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度分別為：38.6℃、44.9℃、43.7℃、49.2℃，電池組溫度均勻性較差．電池組1與2的溫度場(chǎng)分布基本相同，電池組3與4的溫度場(chǎng)分布基本相同．

2.2 電池組溫升的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5給出了在不同實(shí)驗(yàn)工況下的電芯監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫升曲線．從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在不同的實(shí)驗(yàn)工況下，電芯的溫升有較大的分別．在3種實(shí)驗(yàn)條件下，電芯的最高溫度分別為48.6℃、47.6℃和47.2℃，最低溫度分別為36.8℃、36.5℃和36.0℃．對(duì)比實(shí)驗(yàn)1、3可發(fā)現(xiàn)當(dāng)液冷系統(tǒng)冷卻液工作但壓縮機(jī)側(cè)不工作時(shí)電芯溫升范圍較大為18～29.8℃，壓縮機(jī)側(cè)工作時(shí)電芯溫升較小為7.7～18.8℃，可見(jiàn)液冷系統(tǒng)及制冷劑側(cè)工作狀態(tài)對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)散熱效果較明顯；對(duì)比實(shí)驗(yàn)1、3可發(fā)現(xiàn)，雖然水冷系統(tǒng)能降低電池的整體溫升，但是對(duì)于降低電芯間的溫差效果不明顯；對(duì)比實(shí)驗(yàn)2、3可發(fā)現(xiàn)，冷卻液流量變動(dòng)對(duì)電池散熱系統(tǒng)影響不明顯．

圖5 試驗(yàn)溫升記錄曲線

2.3 電池組溫升的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比

表4給出了電池組的最高溫度、最低溫度、4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度的實(shí)驗(yàn)值和仿真值．通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比可得，仿真溫度與試驗(yàn)溫度存在一定程度的誤差，但是溫升趨勢(shì)基本吻合，試驗(yàn)與仿真之間產(chǎn)生的誤差是由于在仿真時(shí)將單體電池視為均勻的生熱源，沒(méi)有考慮到放電時(shí)單體電池內(nèi)各部位由于隨著荷電狀態(tài)的變化其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也不同，即單體電池在一定程度上具有溫度不均勻性，因此勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的誤差．但總體而言，采用本文的仿真計(jì)算方法所得的結(jié)果基本符合實(shí)際情況．

表4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表 (單位：℃)

3 電池箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為獲得更好的散熱效果，本文對(duì)電池箱體進(jìn)行了優(yōu)化，給出了3種方案．

3.1 水冷板流道優(yōu)化

由以上仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，采用液冷效果較為明顯，在90 km/h勻速工況下電芯溫度均能維持在50℃以?xún)?nèi)，但是電芯之間的溫差較大．電池箱體采用L型結(jié)構(gòu)，冷卻流道內(nèi)部及流向如圖6(a)所示．目前所采用的流道結(jié)構(gòu)無(wú)法使冷卻液流過(guò)全部區(qū)域，經(jīng)過(guò)對(duì)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，這些區(qū)域溫差較大．為提高電芯與電芯之間以及為模組間的溫度一致性，將對(duì)液冷板的流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化．考慮到電池箱體輕量化的要求，暫不能對(duì)電池箱體進(jìn)行過(guò)大更改，優(yōu)化將在現(xiàn)有箱體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，將最下方的主流道分解成3個(gè)小流道，使冷卻液能夠逐個(gè)流過(guò)整個(gè)箱體，如圖6(b)所示．

圖6 水冷板流道示意圖

3.2 導(dǎo)熱材料的優(yōu)化

由前所述，電池組中每?jī)蓧K電芯放置一塊0.5 mm的鋁導(dǎo)熱片和一塊0.3 mm的硅膠墊，用于將電芯熱量更快地傳至液冷板，簡(jiǎn)稱(chēng)優(yōu)化方案1．仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明電芯上下溫差較大，熱量從電芯上部傳至液冷板的環(huán)節(jié)熱阻較大．為了減小電芯上下溫差，本文擬通過(guò)減小該環(huán)節(jié)熱阻來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化傳熱路徑．模組其他結(jié)構(gòu)不變，采用導(dǎo)熱系數(shù)比鋁大的相同厚度銅導(dǎo)熱墊片，優(yōu)化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱(chēng)優(yōu)化方案2，將方案1和方案2耦合后的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱(chēng)優(yōu)化方案3．

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

表5給出了優(yōu)化后的電池組的溫升情況．

表5 優(yōu)化方案與原始方案對(duì)比表

從表5可以發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化方案1的最大溫差為9.3℃，較原始方案下降了5.1℃，說(shuō)明此優(yōu)化方案提高了電池間的溫度均勻性；優(yōu)化方案1最高溫度較原始方案下降了4.8℃，最低溫度上升了0.3℃，說(shuō)明方案1的流道結(jié)構(gòu)較原始方案帶走了更多的熱量，在控制電池組溫升上效果比原始方案顯著；優(yōu)化后的流道采用多通道，并且在流道拐角處的直角改變成圓弧形，降低了沿程阻力，減少了能量消耗；由于優(yōu)化后的流道流經(jīng)全部模組區(qū)域，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4的溫度顯著下降，提高了模組間的溫度均勻性．

優(yōu)化方案2最大溫差為12.5℃，與原始方案相比整體溫差下降不太明顯；同時(shí)各個(gè)電芯豎直方向上的溫差較原始方案大大降低，這是因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)更高的銅導(dǎo)熱片降低了豎直方向上熱阻的原因．

3.4 優(yōu)化后水冷板和銅導(dǎo)熱片的耦合

優(yōu)化方案1降低了模組的整體溫差，但對(duì)改善電池單元豎直方向上溫度均勻性效果不明顯，優(yōu)化方案2降低了豎直方向上的熱阻，從而提高了該方向上的溫度均勻性．本節(jié)考慮將方案1和方案2進(jìn)行耦合．耦合后的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱(chēng)優(yōu)化方案3．優(yōu)化模型后的仿真分析時(shí)的環(huán)境溫度、初始邊界條件與優(yōu)化前的仿真參數(shù)完全一致．結(jié)果表明采用方案3后，電池組的最高溫度和最低溫度分別為39.3℃、31℃，最大溫差為8.3℃．較方案1、2冷卻效果以及電池單元間的溫度均勻性有了較大提高，冷卻系統(tǒng)壓降也有所降低，該系統(tǒng)已滿足電動(dòng)汽車(chē)電池對(duì)溫度的要求．

4 結(jié) 論

1)本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了電動(dòng)汽車(chē)在90 km/h勻速行駛工況下不同環(huán)境溫度下的溫升曲線；研究發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行散熱系統(tǒng)優(yōu)化的電池箱溫升較大，電芯之間溫度均勻性較差．

2)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)3工況下的仿真對(duì)比，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性以及仿真的精度．

3)通過(guò)對(duì)增加分支流道、更換銅導(dǎo)熱墊片優(yōu)化，以及兩者耦合的優(yōu)化方案的仿真，分析了不同方案的優(yōu)化效果，為工程優(yōu)化提供了參考方向．