鋰電池組液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱影響因素分析

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)

作為電動汽車重要的儲能部件，動力電池的性能受溫度影響較大[1]。溫度較高時，電池的使用壽命會明顯降低[2]；溫度較低時，電池充電能力下降，直接影響電動汽車?yán)m(xù)駛里程[3-4]。因此需要對動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對電池包外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)散熱效果的改善，難以適應(yīng)在大容量大功率車輛動力電池系統(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，成為了國內(nèi)外學(xué)者及業(yè)界關(guān)注的熱點[9-13]。A. Jarrett等[14]設(shè)計出一種內(nèi)置液冷管道的冷卻板，通過液體循環(huán)對方形電池進行冷卻。S. Basu等[15]設(shè)計了一種新型液體冷卻劑的18650電池組熱管理系統(tǒng)，通過構(gòu)建電化學(xué)熱模型和三維電池組熱流場分析模型，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分布。本研究通過仿真分析并試驗驗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結(jié)果，設(shè)計了動力電池組液冷散熱結(jié)構(gòu)，并對冷卻效果影響因素進行了分析。

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力電池為研究對象，其單體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。三元鋰電池具有比能量高、使用壽命長等優(yōu)點，同時也存在耐高溫性能差等缺點[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產(chǎn)熱不均勻，會造成局部溫度過高，長此以往，將會導(dǎo)致整個電芯性能降低。

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為電池放電時間；λx，λy，λz對應(yīng)3個正交方向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密度來表示：

(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算電路等效電阻的方法可以計算電池三維正交導(dǎo)熱系數(shù)，其表達式如下：

(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 生熱速率的計算

生熱速率估算通?？梢圆捎美碚撚嬎慊蛟囼灥姆椒?。目前采用較多的是Bernardi等提出的電池的生熱模型[20]，計算公式可以表示為

(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。對電池進行熱特性分析，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)阻值進行多項式曲線擬合，結(jié)果見圖2。

電池內(nèi)阻與環(huán)境溫度多項式關(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，電池內(nèi)阻隨溫度降低而快速增大；環(huán)境溫度在15～25 ℃時，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。

圖2 溫度與內(nèi)阻三次項擬合曲線

2 模組發(fā)熱分析及試驗驗證

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)小元件對傳熱影響不大，然而會大大增加建模的復(fù)雜程度，因此在對電池模組進行三維建模時，可以將這些細(xì)小元件進行簡化處理，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，對計算結(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)純電動汽車實車行駛工況規(guī)律及動力電池測試規(guī)范，在室溫25 ℃(298.15 K)下對電池模組以0.7C和1.5C電流持續(xù)放電。

放電倍率為0.7C時，為了與試驗溫度采集點比較，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，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到319 K，雖然放電時間減少，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對比分析

2.3.1溫度傳感器監(jiān)測點

溫度傳感器的監(jiān)測點布置見圖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)，實時監(jiān)測溫度變化。

圖7 溫度監(jiān)測點設(shè)置

2.3.2試驗結(jié)果分析

將電池模組置于高低溫箱30 min，通過充放電設(shè)備對電池模組進行0.7C恒流放電，設(shè)置為1 s采集一個溫度數(shù)據(jù)，將試驗所得溫升數(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，溫升速率較慢，放電至500 s時，即在A點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熱量開始聚積還沒有及時散出去；在放電末期即B點處，由于電池容量較小時，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)測點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)測與試驗采集的溫度數(shù)據(jù)誤差在±1.5 ℃之內(nèi)，側(cè)面證實了發(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監(jiān)測點平均溫升對比

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。通過試驗與仿真對比，可以得出結(jié)論：環(huán)境溫度相同時，電池以大倍率持續(xù)放電相對于小倍率持續(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，針對大倍率下放電電池溫升過高等情況，需要對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)計采用直徑為6 mm的U型銅管，其結(jié)構(gòu)簡單，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。采用自然對流換熱方式，對流傳熱系數(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，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

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

圖13 液冷試驗系統(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)極進行放電，循環(huán)泵設(shè)置流速為600 mL/min。通過液冷管路對電池模組進行液冷循環(huán)散熱，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過溫度傳感器1、2、3、4間隔1 s采集一個溫度數(shù)據(jù)并利用數(shù)據(jù)通道傳送到電池測試系統(tǒng)進行處理。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點和B點之間，即處于放電500～2 000 s時，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，冷卻液開始進行有效散熱。在放電末期即C點，由于電池容量急劇衰減，內(nèi)阻增大，電池發(fā)熱量增加，冷卻液無法及時帶走熱量，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，對已布置液冷管道與未布置液冷管道的電池模組溫度場分布和溫升情況進行對比分析。對比布置與未布置液冷管道的電池模組仿真與試驗溫升情況，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，說明設(shè)計的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，液冷管道才能帶走少量熱量。為使液冷管道效果達到最佳，采用其他具有不同熱物性參數(shù)的冷卻介質(zhì)進行分析。

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，放電結(jié)束后，電池模組的溫升為10 ℃左右。為了驗證仿真結(jié)果，進行試驗分析。

圖15 25 ℃乙二醇水溶液散熱電池模組溫度云圖

試驗環(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。通過仿真與試驗對比可知：同樣的條件下，在放電前期A點以及放電中期B點電池溫升速率較冷卻液采用水時更小，說明乙二醇型冷卻液的冷卻效果相對于水來說更好一些，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，對電池模組進行仿真分析，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。

試驗驗證仿真結(jié)果，試驗條件不變，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，在放電過程中，模組內(nèi)部熱量沒有大量累積，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)熱仿真并進行試驗對比，驗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)計液冷管道，并進行液冷散熱影響因素分析，得出以下結(jié)論：

a) 環(huán)境溫度對鋰電池內(nèi)阻影響較大，溫度較低時，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)境溫度進一步升高，電池內(nèi)阻有減小的趨勢；

b) 通過仿真與試驗對比，可以驗證U型液冷管道能夠及時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) 進一步分析了冷卻液溫度對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。