動力電池組液冷散熱仿真與實驗研究

任雪萍，連文磊，蘇存要

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

動力電池作為電動汽車的動力來源，已經(jīng)成為電動汽車的核心技術(shù)之一。鋰離子電池因其能量比高、自放電率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)點[1]，被廣泛用于車載動力電池組中。但是在電池的放電過程中，動力電池會產(chǎn)生電化學反應(yīng)熱、電流焦耳熱和極化熱等大量的熱量[2-3]，如果不布置合適的散熱方案，會導致動力電池的溫度升高，影響電池的放電性能和循環(huán)使用壽命，極端情況下甚至會導致電池的熱失控[4]。

以空氣為介質(zhì)的熱管理方法作為一種最傳統(tǒng)的方法，在成本、復雜性、維護和質(zhì)量等方面都有優(yōu)勢[5-6]。PESARAN A A等[7-8]的研究發(fā)現(xiàn)，與串聯(lián)通風相比，并行通風效果更好，但是風冷散熱不適合在電池高倍率放電等極端條件下使用。液冷式散熱系統(tǒng)雖然復雜，但冷卻效果好。徐海峰[9]討論了電池放電倍率、冷卻液入口溫度和流速對電池溫度場的影響。結(jié)果顯示，在高倍率放電時，降低冷卻液入口溫度會使得電池組的溫度降低，提高冷卻液流速會導致電池組溫差變大；冷卻劑流動路徑的幾何形狀對液冷板BTMSs的冷卻效果有很大的影響，因此，對微通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是近年來的研究熱點。趙春榮[10]建立了包含71節(jié)18650型鋰離子電池的電池模組微通道液冷熱模型,研究了電池與水冷管外壁接觸面積對電池模組溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)增大電池與液冷管外壁接觸面積可顯著降低電池模組內(nèi)電池的最高溫度，但會使其溫度一致性變差。采用液體為介質(zhì)的熱管理方法具有廣闊的應(yīng)用前景，有必要進行深入研究[11]。

本文針對某商用三元鋰電池所組成的電池組，采用了以液體為介質(zhì)的電池液冷系統(tǒng)，研究了在冷卻電池組時的溫度分布，為電池液冷系統(tǒng)提供一種可能的優(yōu)化方法。

1 動力電池組液冷散熱仿真分析

1.1 方案簡介

本文針對基于口琴管的液冷方案進行了數(shù)值仿真研究。口琴管布置在動力電池組上下兩側(cè)，中間填充導熱硅膠來降低接觸熱阻。電池產(chǎn)生的熱量通過鋁板以及導熱硅膠傳遞至口琴管，進而由口琴管內(nèi)部低溫液體將熱量帶走，低溫液體通過口琴管端部的匯流箱源源不斷地流入、流出口琴管，達到冷卻動力電池的效果。上、下口琴管采用逆流的方式，讓電池組的溫度更加均勻。

1.2 物理模型

如圖1所示，基于口琴管的電池組液冷系統(tǒng)三維幾何熱模型由動力電池、鋁板、隔熱墊、導熱硅膠、口琴管、匯流箱組成，其中動力電池的尺寸為213×168×14.5 mm,口琴管尺寸為350×45×4 mm，內(nèi)部存在均勻分布的10個3.95×3 mm的流道，如圖2所示。

圖1 基于口琴管的動力電池組液冷方案結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 口琴管內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 邊界條件

邊界條件：電池組設(shè)置為1C倍率放電，電池容量112.5 Ah，放電電流112.5 A；固體域初始溫度設(shè)置為36 ℃，環(huán)境溫度設(shè)置并一直維持在36 ℃；低溫液體采用50%的乙二醇溶液，流體域初始溫度設(shè)置為25 ℃，進口流量5 L/min，出口設(shè)置為壓力邊界，出口壓力設(shè)置為0 Pa，激活抑制回流選項，電池組表面設(shè)置為自然對流，對流換熱系數(shù)為3.95 W/(m2·K)。

1.4 材料屬性

本文各物質(zhì)的材料屬性如表1所示。

表1 各物質(zhì)材料屬性

2 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

冷卻工況：選取每個單體電池左、右兩面作為研究對象，繪制共8個面在1 800 s、3 600 s的溫度分布圖，如圖3所示。

圖3 電池表面1 800 s、3 600 s時溫度分布圖

從圖3中分析發(fā)現(xiàn)，在放電過程中，電池表面溫度逐漸增大，在放電結(jié)束后達到最高溫度為43.2 ℃，相較于初始溫度36 ℃僅升高了7.2 ℃，說明口琴管液冷系統(tǒng)可以降低電池組溫度。同時發(fā)現(xiàn)電池組最高溫度主要集中于電池上側(cè)兩邊，這主要是因為電池組上側(cè)僅布置兩排口琴管液冷板，電池兩邊的熱量不能及時傳遞出去，導致溫度較高。上側(cè)僅布置兩排液冷板主要是因為布置4排液冷板會與電池組其他功能部件干涉。為了對比各單體電池之間的溫差，對各單體電池編號，同時在各電池表面取對應(yīng)位置點，電池編號及取點位置如圖4所示。

圖4 電池編號及取點位置示意圖

從左至右，電池依次編號a、b、c、d。由于電池組對稱布置，故只需對一側(cè)取點，每個電池表面取6點并進行編號。其中4號、5號、6號點位于面中心線上；5號點位于中心；4號、6號點分別靠近上下兩側(cè)；1號、2號、3號點為4號、5號、6號點對應(yīng)平移并靠近側(cè)面。在放電結(jié)束后，繪制各點溫度，如圖5所示。

圖5 放電結(jié)束后各電池表面6點溫度分布圖

從圖5中分析可知，各電池表面1號點至6號點的最大溫差分別為0.8 ℃、0.9 ℃、0.7 ℃、0.5 ℃、0.6 ℃、0.4 ℃，均<2 ℃，滿足電池組均溫性要求。同時比較各電池表面所對應(yīng)的1號點，發(fā)現(xiàn)c號電池右側(cè)與d號電池左側(cè)溫度基本一致，并且為各電池表面最大，電池組最外的兩個電池表面溫度最低，比較其他各點，規(guī)律基本一致，為接下來口琴管液冷系統(tǒng)實驗中熱電偶的布置提供一些參考。

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)及裝置

基于口琴管的動力電池組液冷的實驗裝置系統(tǒng)如圖6所示，包括實驗本體、充放電控制系統(tǒng)、環(huán)境溫度控制系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、高低溫液體控制系統(tǒng)。其中，實驗本體為動力電池、鋁板、隔熱墊、口琴管液冷板、匯流箱、固定裝置組成，如圖7所示。

圖6 實驗裝置系統(tǒng)圖

圖7 實驗本體

動力電池兩兩并聯(lián)，之后串聯(lián)在一起，每塊電池表面布置鋁板，每兩塊電池之間布置隔熱墊。動力電池組前后通過固定裝置進行緊固，動力電池組上下表面布置口琴管液冷板，通過導熱硅膠與動力電池進行接觸。

充放電控制系統(tǒng)包括蓄電池組綜合參數(shù)自動測試設(shè)備、通信轉(zhuǎn)換器、計算機。通過計算機來控制設(shè)備對動力電池進行充放電工作，同時計算機記錄充放電過程中相關(guān)的變化；環(huán)境溫度控制系統(tǒng)主要包括設(shè)備-快速溫變試驗箱，通過設(shè)備控制面板來對環(huán)境溫度進行調(diào)控；溫度采集系統(tǒng)主要包括多路溫度測試儀以及K型熱電偶，在動力電池組首尾兩塊電池的左右表面進行熱電偶布置，即a左、a右、d左、d右，布置位置與仿真時保持一致，同時在乙二醇溶液進入實驗本體之前布置K型熱電偶，確保流體進入溫度為所需溫度，通過數(shù)據(jù)傳輸裝置，在計算機中可以實時記錄溫度數(shù)據(jù)；高低溫液體控制系統(tǒng)主要由高溫循環(huán)油浴鍋以及智能渦輪流量計組成，為實驗本體源源不斷地提供所需的高溫或低溫液體。

3.2 實驗步驟

1)將充滿電的動力電池組放置在快速溫變試驗箱中，環(huán)境溫度設(shè)置為36 ℃，靜置12 h來進行環(huán)境溫度適應(yīng)；

2)啟動多路溫度測試儀，并在計算機中開啟相關(guān)溫度軟件，實時監(jiān)測并記錄動力電池表面的溫度數(shù)據(jù)；

3)開啟高溫循環(huán)油浴鍋以及智能渦輪流量計，設(shè)置溫度為25 ℃，運行至液體能夠穩(wěn)定循環(huán)，控制各進口流量為5 L/min；

4)電池組綜合參數(shù)自動測試設(shè)備以及計算機控制軟件，設(shè)置為1C恒流放電模式，開始進行放電測試，直到電壓降至截止電壓(5.3 V)，記錄放電過程中相關(guān)數(shù)據(jù)，完成冷卻工況實驗研究。

3.3 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

動力電池組放電結(jié)束后，各面上的最大溫度測量值如圖8所示。從圖中分析可知，最高溫度出現(xiàn)在d號電池左側(cè)面上，溫度為45.6 ℃;最低溫度出現(xiàn)在a號電池左側(cè)面上，溫度為44.2 ℃，單體電池之間的最大溫差為1.4 ℃，滿足動力電池正常工作的要求。

圖8 各面最大測量溫度

針對動力電池溫度最高的表面，即d號電池左側(cè)面，繪制d號電池左側(cè)面上各測點的溫度隨時間的變化量如圖9所示。從圖9分析可知(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)，與仿真結(jié)果規(guī)律相同，2號測點溫度最高，這主要是因為2號測點靠近動力電池正極極耳，產(chǎn)熱量較大，導致溫度較高；6號測點溫度最低，是因為6號測點靠近動力電池組下方口琴管，熱量能夠較快地進行傳遞，降低溫度。每個測點的溫度同樣是在放電初期上升較快，繼而進入平緩期，在放電末期再次溫度上升較快。這是因為動力電池在剛開始放電的時候，動力電池與環(huán)境溫差較小，動力電池表面的散熱量也就比較小，動力電池升溫較快；隨著動力電池溫度的上升，散熱也隨之增大，導致動力電池溫度上升速率降低。

圖9 d號電池左側(cè)面上各測點的溫度隨時間的變化量

參考仿真結(jié)果，最低溫度和最高溫度分別出現(xiàn)在a號、d號電池上，故繪制a號、d號電池左右側(cè)面各測點的平均溫度隨時間的變化，如圖10所示。從圖中分析可知，在放電結(jié)束后，d號電池左側(cè)面平均溫度最高，為44.2 ℃，a號電池左側(cè)面平均溫度最低，為43.1 ℃，溫差為1.1 ℃，說明基于口琴管的動力電池組液冷系統(tǒng)滿足動力電池組均溫性要求。

圖10 a號、d號電池左右側(cè)面平均溫度隨時間的變化量

4 結(jié)語

本文針對某商用三元鋰電池所組成的電池組，采用基于口琴管的液冷方案，研究了在冷卻電池組時的溫度分布。仿真和實驗結(jié)果表明：該液冷方案可以滿足電池組以及單體電池的降溫和均溫的需求，使動力電池在正常溫度范圍內(nèi)工作。