電動汽車鋰電池模塊化熱管理系統的設計及實驗研究

茍飄,徐俊,劉曉艷,王海濤,梅雪松

(1.西安交通大學陜西省智能機器人重點實驗室,710049,西安;2.西安交通大學機械制造與系統工程國家重點實驗室,710049,西安;3.西安交通大學機械工程學院,710049,西安)

電動汽車普遍使用的鋰電池對溫度敏感性高,在高溫下極易導致電池的性能退化,極端情況下甚至導致熱失控,威脅人車安全[1]。因此,對電池包進行冷卻成為電動汽車的研究之一[2]。

目前,電池包的冷卻方式主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻等[3]。空氣冷卻結構簡單、成本低,但是存在冷卻效果不足、溫度均勻性不好的缺點,目前的研究旨在通過風扇、流道和翅片增加其散熱效率[4-5]。相變材料冷卻結構簡單,溫度均一性好,但是相變材料導熱不足,近幾年的研究主要集中在改變材料的成分以提高導熱性[6]。熱管冷卻效果好,且不需要額外功率,但是相關的研究還處于起始階段,應用性不足[7]。液體冷卻具有良好的導熱性,近幾年的研究不斷增多[8-12]。Zhao等人提出了一種針對圓柱電池的微型管道液體冷卻結構,利用仿真研究了結構的通道數量、流速、流向、入口尺寸對冷卻效果的影響[13]。Jarrett和Wei等人通過電池溫度、溫差和壓降等參數研究了冷板的流道彎曲排布形狀[14-16]。Rao等人提出了和圓柱電池表面貼合的冷卻結構,并研究了其余電池的接觸面積對冷卻效果的影響,提出了變接觸面的設計利于散熱的結論[17]。Zhang和Yeow等人通過增加石墨片或者翅片的方式,有效地提高了電池的溫度均勻性[18-19]。

本文針對電動汽車鋰電池在高溫情況下極易引發電池的性能退化,甚至導致熱失控的問題,提出了一種電動汽車鋰電池模塊化熱管理系統方案;對該系統的冷卻液特性進行了仿真與優化;仿真研究了冷卻液流速、管道連接方式對電池模組冷卻性能的影響;根據仿真優化結果,設計并搭建實驗平臺進行了實驗驗證。

1 模塊化結構

模塊化系統結構電池包如圖1所示。這種結構包括多個可以自由組合的冷卻單體,電池位于冷卻單體之間,并采用交叉排列方式。每個冷卻單體由鋁合金制成,內部為腔體結構,并與直徑為6 mm的出入口組成流道,流道內充滿可以自由流動的冷卻液,利用冷卻液的流動迅速帶走電池在工作時產生的熱量,保證電池工作在一個合適的工作范圍內。為了增大電池與冷卻單體之間的接觸面積以提高冷卻效率,每個冷卻單體與電池的圓柱面之間填充導熱硅膠片。在后續實驗過程中,冷卻液流道可以根據實驗需求進行流道的串聯與并聯。

圖1 模塊化系統結構電池包示意圖

為了研究該結構的冷卻效果,選取6塊冷卻單體和20節18650鋰電池組成電池模組并進行研究。電池采用交錯排列的方式,同排電池間距為5 mm,相鄰兩排電池間距為2 mm。電池詳細參數如表1所示。

表1 實驗用18650鋰電池參數

2 電池關鍵參數獲取

2.1 電池內阻

電池內阻是電池的重要參數,其值與電池荷電狀態(SOC,用符號ξSOC表示)有關,受環境溫度以及放電倍率的影響很小。實驗中,為了獲取電池的內阻與ξSOC的關系,在環境溫度為25 ℃下,對電池進行0.5C倍率(C表示電池充放電時電流的比率,充放電倍率=充放電電流/額定容量)放電,完成內阻測試實驗。對實驗所獲得的不同ξSOC下的內阻數據進行處理,并對實驗數據進行函數擬合,即可得到電池內阻與ξSOC的變化關系如下

(1)

電池內阻與ξSOC的關系曲線如圖2所示。通過圖2可知,電池的內阻隨ξSOC的變化很大,函數擬合方差為0.820 7,說明擬合度較好。

圖2 電池內阻與ξSOC的關系曲線

2.2 熵熱系數

熵熱系數表示電池的開路電壓(OCV)對溫度T變化的導數,其值的大小與ξSOC有關,受初始環境溫度以及放電倍率的影響很小。為了獲取熵熱系數與ξSOC的關系,在電池在環境溫度為25 ℃下進行0.5C放電實驗,在某個ξSOC下靜置足夠長時間得到OCV數據。在正交坐標系中,以環境溫度為橫軸,OCV數據為縱軸,擬合直線,其斜率即為此ξSOC下的熵熱系數[20]。根據實驗得到電池在不同ξSOC下的熵熱系數與ξSOC的關系,如圖3所示。

圖3 電池熵熱系數與ξSOC的關系曲線

電池熵熱系數與ξSOC的關系曲線擬合函數為

(2)

式中:x代表ξSOC。根據擬合結果,方差為0.999,說明擬合度很好。由擬合結果可以看出,熵熱系數與ξSOC的關系為5次多項式。

3 電池模型的仿真與實驗驗證

3.1 電池產熱模型

根據Bernardi提出的電池產熱模型,電池產熱主要包括可逆熱和不可逆熱兩部分。不可逆熱包括電池產生的焦耳熱和由于過電壓導致的熱量,可逆熱的產生和電化學反應的熵變有關[21]。電池產熱的具體模型如下

(3)

式中:Q表示電池產熱,J;I表示電池放電電流,A;R表示電池的內阻,Ω;T表示電池的實時溫度,K;dU/dT表示熵熱系數,V/K。

3.2 模型的仿真與實驗驗證

為了保證后續電池組液冷結構研究時模型的準確性,本文先驗證電池產熱模型的準確性。因此,本節對電池產熱模型進行仿真與實驗驗證。

(1)仿真理論基礎。由于在電池與冷卻模組的接觸面緊密填充了薄層的導熱硅膠片,因此可以假定電池與模組之間的接觸內阻忽略不計,則仿真時需要滿足如下方程。

連續性方程

(4)

水是不可壓流動,密度ρ為常數,則式(4)變為

(5)

動量方程

(6)

能量方程

(7)

傳熱學方程

(8)

式中:ρc、Cpc分別為電池的密度、比熱容;kcx、kcy、kcz分別為電池在3個方向上的導熱系數;λc為對流傳熱系數。

(2)網格無關性驗證。在對電池模組進行仿真之前,需要先進行網格無關性驗證,以排除網格劃分對結果精確度的影響。本文對電池模組進行了3種網格劃分,網格單元數分別為365 040、556 512和788 771,其余設置均相同,表2為不同網格數量下的結果。以電池的平均溫度為對比,其偏差分別為0.006%和0.009 9%,說明仿真結果不受網格數量的影響。因此,后續研究選取網格數為365 040。

表2 電池模組3種網格劃分情況

(3)仿真參數設置與實驗驗證。本文使用ANSYS Fluent16.0進行仿真,基于壓力的求解器,采用SIMPLE算法進行求解。時間步長設置為0.1 s,能量方程的收斂參數為10-9。使用UDF編程計算生溫度隨時間的變化,作為體熱載荷加載到電池上。流體入口設置為速度入口,出口為自由出口,邊界條件設置為對流,對流傳熱系數為5 W/(m2·K),初始溫度為25 ℃,放電倍率分別為1C、2C、3C,充電倍率為1.6C。仿真與實驗對比結果如圖4所示。

圖4 電池單體不同放電倍率下的溫度變化

從圖中可以看出,放電倍率分別為1C、2C、3C時對應的電池放電的最高溫度分別為32.2、44.2、57 ℃,1.6C充電倍率下電池的最高溫度為30.5 ℃。從圖4和表3可知,仿真與實驗的溫度趨勢基本一致,最大誤差為1.03 ℃,仿真精度高,保證了電池產熱模型的準確性。

表3 不同放電倍率下仿真的溫度誤差表

4 模塊化結構的優化與實驗驗證

目前鋰離子電池的最佳工作溫度范圍為25～40 ℃[22],而由上述實驗可知,電池在環境溫度為25 ℃下進行2C和3C倍率放電,電池的最高溫度超過了電池的最佳工作溫度范圍。因此,為了探究本文所提出的模塊化冷卻結構的冷卻特性并進行優化,選擇電池在25 ℃、3C放電倍率下的溫度數據作為對照組,并從冷卻液流量和串并聯方式對溫度場的影響進行研究,優化冷卻特性。

4.1 流量對電池包溫度場的影響

為了研究冷卻模組中的冷卻液流量對電池包溫度場的影響,選取40～140 mL/min的流量范圍,流量間隔為20 mL/min。連接方式為串聯,不同冷卻液流量下的仿真結果如圖5所示。

圖5 不同冷卻液流量下電池包最高溫度和溫差

由仿真結果可知,串聯情況下,電池的最高溫度和溫差均隨流速的增大而減小,減小的趨勢逐漸變緩。隨著流量的增大,最高溫度依次降低了5.08、3.18、2.32、1.53、0.52 ℃,溫差依次減小了3.7、2.52、1.92、1.25、0.33 ℃。在流量為140 mL/min時,電池包的最高溫度為40.85 ℃,溫差為9 ℃,不能達到電池包的溫度要求。因此,增大流量只能在一定程度內有效提高冷卻效率,超過某一值后,流量繼續增大但冷卻效果提高不再明顯,反而因提高流量消耗的功率增大。流量的選取應權衡冷卻效果與消耗功率的利弊。

4.2 串并聯對電池溫度場的影響

為了進一步探究電池冷卻管道串并聯對電池場溫度的影響,對電池組在初始環境溫度為25 ℃、放電倍率為3C、冷卻液流量為80 mL/min情況下分別進行串并聯仿真。電池編號以入口附近的電池為1,沿著水流方向依次編號到20。

連接方式為串聯情況下的仿真云圖如圖6所示。由仿真結果可知,電池的溫度沿著冷卻液流動方向逐漸升高,電池的最高溫度為45.22 ℃,大于鋰電池最佳工作溫度范圍(25～40 ℃),電池的溫差為12.5 ℃,大于5 ℃。

圖6 25 ℃下3C放電串聯冷卻電池溫度場

初始環境溫度為25 ℃,放電倍率為3C,冷卻液液流速為80 mL/min,連接方式為并聯情況下的仿真云圖如圖7所示。由仿真結果可知,并聯的最高溫度和溫差分別為37.67 ℃和5.76 ℃,相比串聯各下降了7.55 ℃和6.74 ℃,且最高溫度出現在12號電池。

圖7 25 ℃下3C放電并聯冷卻電池溫度場

為了進一步對比分析串并聯對電池溫度場影響的差異,將兩種連接方式下不同電池之間的最高溫度,溫差數據進行處理,得到串并聯下各個電池溫度對比結果,如圖8所示。從圖8可知:在串聯情況下,同一排中的不同電池溫度差異很小,排與排之間的平均溫差依次為2.85、2.20、1.1,0.95 ℃,溫差依次減少;在并聯情況下,同一排中的不同電池溫度差異較大,排與排之間的平均溫差較小,分別為1.13、1.11、1.52、1.09 ℃,說明并聯結構使電池包中部的熱量不易積累,對降低電池包的最高溫度和提高電池包的溫度均勻性具有更好的效果。

圖8 流量80 mL·min并聯和串聯不同位置電池表面平均溫度

4.3 模塊化冷卻結構的實驗驗證

4.3.1 實驗平臺搭建 電池測試平臺的原理圖如圖9所示,主要包括5個部分:新威電池測試設備、電池包、冷卻系統、溫度采集儀和上位機。18650電池共20節,電池包的容量為44 A·h,電壓為5 V。電池正負極與新威充放電設備相連,通過上位機設置電池的運行工況,并實時記錄數據。安柏溫度采集儀使用熱電偶采集溫度,并將數據實時記錄在上位機的軟件中。由于18650電池的體積小,電池工作時的溫度分布相對均勻,因此每節電池布置一個熱電偶,位于電池與冷卻模組的接觸面中部。冷卻模組的整體高度為40 mm,布置于電池中部。使用水泵(量程為20～110 mL/min)將水送入冷卻模組中的入口,配合使用玻璃轉子流量計(量程10～150 mL/min)調節流量的大小,流經冷卻模組的冷卻水經過出口回流到水箱中,構成循環流動。

圖9 電池測試平臺原理圖

實驗的具體過程為:在保證電池充滿的情況下,打開新威電池測試設備對電池進行恒流放電,同時打開水泵,并調節流量計到目標流量;在電池放電過程中,安柏溫度采集儀實時獲取每個電池單體的溫度;最后對采集的數據進行處理。實驗臺實物圖如圖10所示。

圖10 電池參數測試實驗平臺

4.3.2 實驗驗證 設置環境溫度為25 ℃,冷卻液流量為80 mL/min且采用并聯方式,對電池進行3C放電,得到20號電池的實驗溫度和仿真溫度如11所示。由圖11可知,實驗溫度和仿真溫度兩者最大誤差為5.5%。仿真溫度高于實驗溫度,原因是仿真中為了簡化模型,忽略了電池與冷卻單體之間的接觸熱阻,而實驗中接觸熱阻的存在導致電池在傳遞熱量時產生損耗,造成了實驗溫度較低。此外,仿真中為了簡化模型,將電池整體作為發熱體,而在實際中,電池中的發熱體為除去電池外殼的內芯部分,因此仿真中發熱體積大于實際發熱體積,使仿真溫度較高。

圖11 并聯25 ℃下3C放電最高溫度實驗和仿真對比圖

仿真中溫度最高的電池為12號電池,實驗測試溫度取對應12號電池的溫度數據,仿真與實驗的溫度曲線基本一致,最大誤差為2.99%。根據并聯結果可知,并聯時溫度在前400 s先上升,然后在后800 s基本穩定。這說明,并聯下的電池包能使電池的溫度在盡量短的時間后達到穩定狀態,縮短了溫度大范圍波動的時間,大大減小了過大的溫度波動對電池造成的影響。

5 結 論

本文提出了一種電動汽車鋰電池模塊化熱管理系統方案,對該系統的冷卻液特性進行仿真與優化。仿真研究了冷卻液流速、管道連接方式對電池模組冷卻性能的影響并進行了優化,根據仿真優化結果,設計并搭建實驗平臺進行實驗驗證,結果如下:

(1)增大流量只能在一定程度內有效的提高冷卻效率,流量的選取應權衡冷卻效果與消耗功率的利弊;

(2)并聯的最高溫度和溫差比串聯各下降了7.55 ℃和6.74 ℃,并聯對提高電池包的溫度均勻性具有較好的效果;

(3)并聯結構使電池包中部的熱量不易積累,在電池包數量較大時,宜采用并聯方式;

(4)并聯縮短了溫度大范圍波動的時間,減小了過大的溫度波動對電池造成的影響。