混合動力車用鋰電池液體冷卻散熱器結構設計

鄧元望，張上安，鐘俊夫，王兵杰

(湖南大學機械與運載學院，湖南長沙410082)

混合動力車用鋰電池液體冷卻散熱器結構設計

鄧元望，張上安，鐘俊夫，王兵杰

(湖南大學機械與運載學院，湖南長沙410082)

通過建立鋰電池的熱模型，分析了鋰電池在不同倍率放電時的發(fā)熱量。在液體冷卻方式下對鋰電池組進行了散熱設計，模擬散熱器在電池組1、3、5放電時流體溫度和流量變化情況下的散熱性能。仿真結果表明：采用液體冷卻能有效降低電池組溫度，電池之間的溫度一致性好，但在大倍率放電時，單體電池內(nèi)外溫差比較大；而在不同工況下通過改變?nèi)肟谫|(zhì)量流量和優(yōu)化設計，可以減小電池內(nèi)外溫度差，使電池工作在合理的溫度范圍內(nèi)。

混合動力電動汽車；鋰電池組；液體冷卻；散熱器

電池是混合動力汽車(hybrid electric vehicle，HEV)的重要部件，其性能好壞直接影響到HEV的燃油經(jīng)濟性、純電動狀態(tài)下的續(xù)駛里程、加速性能、安全性等。由于鋰離子電池具有工作電壓高、比能量高、充放電壽命長、自放電率低和無記憶效應等優(yōu)點，因此被HEV廣泛使用。但是鋰離子電池在工作過程中，電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量，特別是大負荷工況下，電池的生熱量急劇增加而導致電池溫度上升，影響電池壽命及容量。因此電池組的散熱設計很大程度上影響單體電池及整個電池組的性能發(fā)揮和循環(huán)壽命[1-2]。

何亮明、杜翀[3]建立了圓柱型鋰離子電池的三維熱模型，在電池的放電過程中，電池內(nèi)部形成了由內(nèi)向外遞減的溫度場，放電時間越長，溫度分布越不均勻，電池的溫度梯度進一步增大。許超等[4]模擬了磷酸鐵鋰電池的發(fā)熱量為1 570 W/m3，在自然通風散熱的情況下，電池包中的最高溫度達到了57℃。李奇等[5]提到6個18650鋰電池的電池組在1循環(huán)充放電時，電池組中心的溫度超過了90℃。吳忠杰、張國慶[6]設計了夾套液體冷卻系統(tǒng)，并通過仿真驗證了系統(tǒng)的有效性，但只針對圓柱形氫鎳電池。Todd M.Bandhauer等[2]得出電池溫度超過50℃時，電池可恢復的功率和容量都將減少，電池溫度最好控制在50℃以內(nèi)。

目前HEV用鋰電池組的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻及相變材料冷卻?？諝饫鋮s結構簡單，電池組質(zhì)量輕，還能將有害氣體及時排出，但冷卻速度較慢，在發(fā)熱量變大時，入口和出口處電池溫差較大，導致電池溫度分布不均；相變材料導熱系數(shù)低，熱響應慢，而且在車用中由于震動和重力作用可能導致材料分布不均，而使溫度分布不均，在大工況下還需要將相變材料所吸收的熱轉移到外界；液體冷卻換熱效率高，散熱效果明顯，冷卻速度快，電池溫度分布相對較均勻，但結構相對復雜。本文主要對鋰電池組進行散熱設計，通過間接液體冷卻方式將電池的熱量有效轉移到外部，保證電池工作在適宜溫度，同時減小了單體電池內(nèi)外溫差及各個電池之間的溫差，用COMSOL對散熱器進行建模及仿真。

1 鋰電池熱物理模型

錳酸鋰電池由正極集流體(Al)、正電極(Li Mn2O4)、隔膜、負電極(Li C6)、負極集流(Cu)體組成，結構原理圖如圖1所示。電池放電時，Li+從負電極脫離，通過隔膜，嵌入正電極；充電時，Li+從正極脫離，穿過隔膜，嵌入到負極?；瘜W反應如下：

本文所研究的電池為某公司開發(fā)的混合動力車用方形錳酸鋰動力鋰電池，其單體電池容量為10 Ah，最大電壓4.2 V，長度為66 mm，寬度為18 mm，高度為120 mm，外殼材料為鋁，結構模型如圖2，圖中為了簡化電池模型，忽略極耳影響。

圖1 電池反應機理

如圖2，在直角坐標系中，按照能量守恒定律，得到單體電池的導熱微分方程：

式中：熱物性參數(shù)籽、、、、和熱生成量是微分方程求解的重要參數(shù)。通過加權計算電池、和方向的導熱系數(shù)分別為1、29、29 W/(m·K)，電池密度和熱容量分別為2 400 kg/m3、1 400 J/(kg·K)。邊界條件為：

式中：姿為對應面的導熱系數(shù)；表示垂直電池表面的矢量方向；為對流傳熱系數(shù)，=1 W/(m2·K)；外為外界環(huán)境溫度，

外=298.15 K。

圖2 單體電池模型

錳酸鋰電池在正常工作時，副反應可忽略不計，產(chǎn)生的熱量主要由三部分組成：可逆反應熱生成速率1，電化學反應熱生成速率2，焦耳熱生成速率3。單體鋰電池總熱生成速率[7]為：

其中，可逆反應熱：

電化學反應熱：焦耳熱：

式中：1為電極活性物質(zhì)表面積；漬1、漬2分別為固相電勢、電解液電勢；為電極隨溫度變化的開路電勢，可以通過一個參考溫度的一階泰勒公式估算；σeff為活性材料的電導率；資eff為離子電導率；+為鋰離子的傳遞數(shù)量；為電解質(zhì)濃度。

根據(jù)電極動力學方程(Butler-Volmer方程)，電池在工作時，有：

式中：0為交換電流密度，它為電解質(zhì)和固體活性物質(zhì)材料中鋰離子濃度的函數(shù)；為法拉第常數(shù)；為氣體常數(shù)；為絕對溫度；濁為陽極超電勢，濁為陰極超電勢，濁=－濁；α、β分別為陽極和陰極反應傳遞系數(shù)，且α+β=1。

通過計算得到單體電池在1、3、5放電時的發(fā)熱量，如圖3所示。=0時，電池為充滿電狀態(tài)，由于在放電初期，電壓下降幅值較大，電池發(fā)熱量也快速上升，同時為了保證鋰離子電池組的性能和循環(huán)使用壽命，通常將控制在0.3～0.7。電池在1、3放電時，發(fā)熱量隨時間變化不大；5放電時，電池發(fā)熱量急劇上升。在進行電池組仿真分析時，取發(fā)熱量相對穩(wěn)定時的數(shù)值作為熱源，在1、3、5的發(fā)熱量分別為10 000、53 000、115 000 W/m3。

圖3 不同放電倍率下的發(fā)熱量

2 液體冷卻方式下鋰電池組散熱器設計及仿真分析

2.1 鋰電池組散熱器設計

圖4所示為液體冷卻散熱器，取5個單體電池為一個電池組，電池組之間的間隔為冷板，材料為鋁。為了降低電池表面中心位置的溫度，在冷板中間設計兩個對稱的液體通道，入口通道和出口通道的尺寸為142 mm×20 mm×20 mm，冷板的尺寸為8 mm×66 mm×120 mm，流體通道的直徑為6 mm，考慮到電池組兩端的冷板所吸收的熱量較少，設置兩端的液體通道直徑相比其他的小1 mm。

2.2 仿真分析

在模型網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格模型采用四面體結構網(wǎng)格，流體區(qū)域進行細化處理，入口通道網(wǎng)格的最小尺寸為0.515 mm，最大尺寸為4.76 mm，整個模型的網(wǎng)格數(shù)為585 248，如圖5所示。在計算過程中，把液體流體看作不可壓縮的流體，忽略單體電池的熱變形。2.2.1電池溫度分布

圖5 散熱器網(wǎng)格劃分

入口質(zhì)量流量為0.8 g/s，外界環(huán)境溫度和流體入口溫度為298.15 K時，電池組1、3、5放電的溫度分布如圖6、速度分布如圖7所示。從圖中可以看出液體從通道流入后，經(jīng)過冷板通道，流體流速增大，帶走電池傳遞給冷板的熱量。流體通道內(nèi)的流速較為均勻，電池組兩端的冷板流速較低，但所吸收的熱量較少，所以單體電池之間溫差不大，從溫度場分布可以看出單體電池間溫度一致性很好。電池在1、3放電時，電池的最高溫度分別為300.92、312.76 K，但在5放電時，電池溫度達到了329.78 K，內(nèi)外溫差達到了7.12℃，可見放電倍率越大，電池組溫度越高。同時還可以看出單體電池在沿軸方向的溫度梯度大于軸和軸方向的溫度梯度。

圖6 電池組1、3、5放電的溫度分布

圖7 流道截面速度分布

2.2.2 入口流體溫度變化對電池溫度的影響

入口質(zhì)量流量為0.8 g/s，外界環(huán)境溫度為298.15 K時，不同流體入口溫度所對應的電池組在1、3、5放電的最高溫度如圖8所示，其中入口溫度為298.15～308.15 K。圖8顯示隨著流體入口溫度的上升，電池最高溫度都相應變大，冷卻效果越差，在入口流體溫度下降1℃時，相應的電池最高溫度降低0.99℃。但入口溫度要下降，必然要使換熱器的換熱性能加強，所以整個散熱器的功耗也相應變大，因此要選擇合理的入口溫度。2.2.3流量變化對電池溫度的影響

圖8 入口溫度對電池組最高溫度的影響

不同入口質(zhì)量流量，外界環(huán)境溫度和流體入口溫度為298.15 K時，電池組在1、3、5放電的最高溫度如圖9所示。電池組1放電時，由于發(fā)熱量較小，入口流量的變化對電池組的溫度影響不大，曲線趨于水平。電池組3放電，流量從0.8 g/s到2.0 g/s時，電池最高溫度下降比較快，大于2.0 g/s時，溫度變化緩慢。電池組5放電，流量小于2.4 g/s時，隨著流量的增大，溫度迅速降低；在大于2.4 g/s時，冷卻效果不太明顯，但曲線的變化率仍然要比1、3時大；在流量從0.8 g/s增大到1.2 g/s時，1、3、5的最高溫度分別下降了1.22、4.45、9.18℃?？梢姺烹姳堵试酱髸r，流量的變化對溫度的影響越大。因此采用液體冷卻方法，能使電池工作在最佳的溫度范圍內(nèi)，特別是電池在大倍率放電時，通過改變流體入口流量，能有效控制電池的溫度。

圖9 流量對電池組最高溫度的影響

從入口處開始對5個單體電池編號為1、2、3、4、5，表1和表2分別為不同放電倍率及不同入口質(zhì)量流量條件下單體電池的最高溫度和單體電池的內(nèi)外溫差。從表1中可以看出，在相同放電倍率下，增大入口質(zhì)量流量可以有效降低電池的溫度，而且各單體電池之間的最高溫度總體較為均勻，電池之間最高溫度的溫差在1℃以內(nèi)。電池在5放電，入口流量為4 g/s時，單體電池2的溫度最高(307.67 K)，最低的為單體電池5(307.29 K)，最大溫差0.38 K，可見單體電池之間溫度一致性較好。從表2可以看出各單體電池的內(nèi)外溫度差，在小倍率放電時，單體電池間的內(nèi)外溫差很小，隨著放電倍率增大，溫差也增大。入口質(zhì)量流量為0.8 g/s，電池組1放電時，2號電池的內(nèi)外溫差為0.63℃；在3放電時，2號電池的內(nèi)外溫差為3.31℃；5放電時，2號電池的內(nèi)外溫差達到7.22℃，這對電池性能和壽命有一定的影響，可見放電倍率越大，電池內(nèi)外溫差也越大。同時還顯示，隨著質(zhì)量流量的增大，電池組的內(nèi)外溫差有所下降，在5放電時，能夠將最大的溫差控制在5℃以內(nèi)，但水泵所消耗的能量也相應增大，因此可以通過有效的熱管理策略來控制電池的溫差，同時泵所消耗的能量最小。若把冷板的材料換成銅，在5放電、入口流量為2.4 g/s時，單體電池2號的最大溫差由5.47℃降到4.65℃，其電池的溫度為311.74 K，電池的散熱性能有所改善。

表1 電池最高溫度

表2 電池內(nèi)外溫差

3 結論

(1)電池在放電過程中，隨著放電倍率的增大，電池的發(fā)熱量也迅速增大，在小倍率放電時，發(fā)熱量變化不大，在5放電時，電池的發(fā)熱量快速上升。

(2)采用液體冷卻方法能有效降低電池表面的溫度，電池組之間最大溫度的溫差始終在1℃以內(nèi)，均勻性較好；然而單體電池內(nèi)外溫差較大，特別是在大倍率放電且流體入口質(zhì)量小時，最大溫差達到了7.16℃，這對電池循環(huán)壽命有一定影響。

(3)電池組在大倍率放電時，單個電池內(nèi)外溫差也大，需要強有效的冷卻方案，可以通過增大質(zhì)量流量來降低溫度，從仿真結果可以看出，質(zhì)量流量越大，溫度下降越快，溫差也越小。

(4)降低液體溫度，也可以有效降低電池組的溫度，然而散熱器本身功耗也相應的增大，因此需要有效的熱管理策略，控制入口流體溫度和質(zhì)量流量，使得電池工作在合理的溫度范圍內(nèi)，同時散熱器的能耗最小。

[1]王峰,李茂德.電池熱效應分析[J].電源技術,2010,34(3):288-291.

[2]BANDHAUER T M，GARIMELLA S，F(xiàn)ULLER T F.A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries[J].Journal of the Electrochemical Society,2011,158(3):1-25.

[3]何亮明,杜翀.圓柱形鋰離子電池的三維熱模擬[J].電池工業(yè), 2010,15(3):151-155.

[4]許超,顧力強,吳紅杰.混合動力客車電池包散熱系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化[J].機械設計與研究,2010,26(3):118-120.

[5]李奇,楊朗,楊暉鋰.鋰離子電池在循環(huán)過程中的產(chǎn)熱研究[J].電源技術,2008,32(9):606-610.

[6]吳忠杰,張國慶.混合動力車用鎳氫電池的液體冷卻系統(tǒng)[J].廣東工業(yè)大學學報,2008,25(4):28-31.

[7]YE Y H,SHI Y X,CAI N S,et al.Electro-thermal modeling and experimental validation for lithium-ion battery[J].Journal of Power Sources,2012,199:277-278.

新書介紹

《電動汽車的驅動與控制》

本書比較全面地介紹了電動汽車驅動系統(tǒng)控制技術的現(xiàn)狀，闡述了電動汽車驅動系統(tǒng)的基本結構、工作原理、驅動電動機技術、功率變換技術、傳感器技術及相關的建模與仿真技術。針對純電動汽車的驅動系統(tǒng)進行建模，對電動汽車驅動系統(tǒng)的速度閉環(huán)控制的穩(wěn)定性問題和控制策略進行了深入研究。根據(jù)兩款電動轎車驅動系統(tǒng)的主要參數(shù)，建立了簡化的被控對象數(shù)學模型，設計了PID控制器、自適應控制器、模糊控制器和預測控制器，利用數(shù)值仿真進行比較分析并研究了其控制性能。書中融入了編著者近期的研究成果，對于電動汽車設計具有重要的指導意義。

Design of radiator for HEV lithium battery pack using liquid cooling

DENG Yuan-wang,ZHANG Shang-an,ZHONG Jun-fu,WANG Bing-jie

Through building the lithium battery thermal model,the calorific value of the lithium battery at different discharge rate was analyzed.The radiator of Lithium Battery Pack was designed with using liquid as heat transmission medium.Then the cooling performance of the changes of fluid temperature was simulated,and mass flow when the battery pack was discharged at 1,3,5rate.The simulation results show that the liquid cooling can effectively reduce the battery temperature and provide better temperature uniformity between the different batteries,but the difference between inside and outside temperatures of the single cell is large during high-rate discharge.However,the temperature difference could be deduced by the change of mass flow and optimal design, and the battery could be made to work in the reasonable range.

HEV;lithium battery;liquid cooling;radiator

TM 912

A

1002-087 X(2015)03-0454-04

2014-08-10

國家自然科學基金(51176045)；湖南省新型工業(yè)化專項(2012gk4009)

鄧元望(1968—)，男，湖南省人，工學博士，主要研究方向為混合動力電動汽車。