鋰離子動力電池組的直接接觸液體冷卻方法研究*

羅玉濤，羅卜爾思，郎春艷

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640)

2016143

鋰離子動力電池組的直接接觸液體冷卻方法研究*

羅玉濤，羅卜爾思，郎春艷

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640)

為一容量為37A·h的電動汽車用鋰離子電池，提出了以變壓器油為冷卻介質(zhì)的直接接觸液體冷卻方法，建立了散熱結(jié)構的熱模型。通過仿真和試驗分析了4C(148A)倍率下放電的散熱效果。仿真結(jié)果表明，3進1出的流道結(jié)構散熱效果良好，在極限工況下可將電池組的最高溫度和最大溫差分別控制在34.2和3.3℃。液冷試驗結(jié)果驗證了該方案的散熱效果滿足設計要求，但現(xiàn)有試驗條件下冷卻液溫度不可控的問題有待解決。

電動汽車；鋰離子電池組；直接接觸液體冷卻；散熱

前言

作為主要儲能元件的動力電池是電動汽車的重要組成部分。目前，鋰離子電池憑借其比能量大、循環(huán)壽命長、能量轉(zhuǎn)換率高、自放電率低和無記憶效應等優(yōu)勢[1]已在車用電池領域占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額[2]。但鋰離子電池在工作過程中隨著內(nèi)阻生熱和極化反應的累積會產(chǎn)生大量的熱，溫度的急劇升高和單體間溫差的增大將影響電池的性能和壽命，甚至發(fā)生熱失控造成嚴重安全事故。在50℃的溫度環(huán)境中，電池循環(huán)測試中的容量將降低25%,高溫會使動力電池的老化問題進一步凸顯[3]；在高溫、過充放電等情況下沉積在電極顆粒表面的金屬鋰與有機電解液反應會造成起火或爆炸[4]；電池的溫度不均勻會導致局部過充過放現(xiàn)象，這種不均勻性會不斷累積，最終使電池充放電效率大大降低[5]。因此，電池的散熱很有必要，而這又包括兩個方面：控制電池最高溫度和電池單體間溫度均勻性。

目前，針對車用電池的散熱方法和散熱結(jié)構層出不窮。大部分的研究和應用都采用風冷[6-9]的冷卻方式。雖然風冷實現(xiàn)起來簡單，成本低，但是電池單體間隙小，數(shù)量多，在大功率行駛工況中難以將溫度控制在理想范圍內(nèi)。另外，風冷在溫度均勻性上的表現(xiàn)并不十分理想。近年來，逐漸開始采用液體冷卻[10-12]。它們中的大多數(shù)是利用散熱翅片、冷板或水套間接接觸電池組，帶走電池產(chǎn)生的熱量，取得了較好的散熱效果。但間接接觸的冷卻方式降低了液體的散熱效率。

本文中研究直接接觸液體散熱的方法冷卻車用鋰離子電池組[13]。

1 直接接觸液體冷卻的結(jié)構與原理

在直接接觸液冷結(jié)構中，電池箱體充滿冷卻液，電池組完全浸泡在冷卻液中。這就要求冷卻液必須具有良好的絕緣性以防止電池工作時短路。冷卻液的導熱系數(shù)、比熱容和動力黏度是決定冷卻效果的重要因素[14]。綜合考慮，本文中選用變壓器油作為冷卻介質(zhì)。相比其他冷卻液，變壓器油有很大優(yōu)勢[15]。首先，變壓器油比熱大，導熱性能好，黏度系數(shù)低，常用作冷卻劑。其次，高燃點、良好的絕緣性和材料的滅弧性保證運行安全。

直接接觸液體冷卻的結(jié)構如圖1所示，它包括電池組、電池箱體、油泵、儲液器、過濾器、散熱器、溫度傳感器和電壓采集裝置(圖中未標出)。其中油泵是系統(tǒng)的動力元件，儲液器的設置保證了變壓器油充足，過濾器濾掉變壓器油中微量雜質(zhì)，保證其絕緣性能和導熱性能穩(wěn)定。散熱模塊采用小型空液散熱器完成變壓器油的換熱。

工作原理為：電池組工作產(chǎn)生熱量，熱量通過熱傳導和對流換熱傳遞給變壓器油，變壓器油在油泵的平穩(wěn)運行下流出電池箱體進入散熱器，將熱量散發(fā)到外界后變壓器油經(jīng)儲液器、過濾器，回到電池組完成循環(huán)。

2 鋰離子電池組散熱結(jié)構建模

采用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的方形鋰離子動力電池作為研究對象。參數(shù)如下：電池單體標稱容量為37A·h，標稱電壓為3.65V，質(zhì)量為810g，單體長、寬和高分別為148，27和99mm。根據(jù)電池公司提供的電池規(guī)格書，電池工作的最佳溫度范圍是15～40℃。

2.1 電池和變壓器油的熱物性參數(shù)

為建立散熱結(jié)構的有限元模型，需要電池和變壓器油的熱物性參數(shù)。文獻[15]中研究了各類變壓器油在不同溫度段的性能。本文中選用硅油變壓器油，其熱物性參數(shù)見表1[15]。

表1 硅油變壓器油的熱物性參數(shù)

電池密度通過電池規(guī)格書直接獲取，比熱容、導熱系數(shù)和生熱率則需要計算得到。電池的比熱容為

(1)

式中：Cp為電池總的比熱容值；n為電池材料總數(shù)；mi為第i種材料的質(zhì)量；Cpi為第i種材料的比熱容。

設電池集流板的法向為x向，另外兩個方向為y向和z向，則電池的導熱系數(shù)為

(2)

式中：λx，λy和λz分別為電池x，y和z方向的導熱系數(shù)；Lx1，Lx2，Lx3，Lx4，Lx5和Lx分別為電池正極、正極集流板、隔膜、電池負極、負極集流板和電池在x方向的長度；λ1，λ2，λ3，λ4和λ5分別為以上元件各自的導熱系數(shù)。根據(jù)電池公司提供的數(shù)據(jù)，綜合計算公式得出電池的熱物性參數(shù)見表2。

表2 鋰離子電池的熱物性參數(shù)

根據(jù)Bernardi公式[16]電池的生熱率為

(3)

式中：I為電流；E0為開路電壓；E為電池端電壓；R為電池內(nèi)阻；T為溫度；dE0/dT為電池的溫度影響系數(shù)。生熱量由不可逆產(chǎn)熱項I2R和可逆產(chǎn)熱項IT(dE0/dT)構成。在1C倍率以上時，可逆產(chǎn)熱項的影響很小[17]，可以忽略。電池的生熱率是內(nèi)阻的函數(shù)。本文中基于HPPC(hybrid pulse power characteristic)脈沖測量內(nèi)阻的思想，通過試驗測定電池內(nèi)阻。測試過程為：(1)電池按充電標準充滿電后置于恒溫箱中，在25℃的環(huán)境中靜置16h；(2)以148A(4C)的脈沖電流放電10s，擱置40s后以111A的脈沖電流充電10s，記錄各時間點的電壓值；(3)以1C的放電倍率放電3.597A·h，使SOC剛好下降10%，擱置2h;(4)重復(2)和(3)9次，完成各SOC狀態(tài)下的脈沖測試。

圖2示出電池在恒溫箱中的測試情況和電池測試系統(tǒng)記錄的電壓和電流的變化。各SOC狀態(tài)下的內(nèi)阻值為

R=ΔU/ΔI

(4)

式中：ΔU為施加脈沖載荷過程中電壓的變化量；ΔI為電流的變化量即脈沖電流。

計算得到的電池內(nèi)阻R與SOC值的關系如圖3所示，結(jié)合式(3)可計算出各SOC狀態(tài)下電池的生熱率，經(jīng)線性擬合后再通過Fluent中的UDF(user define function)模塊將熱源載入。

2.2 鋰離子電池組物理模型

電池組散熱模型如圖4所示。由圖可見，電池箱箱體分為元件集成區(qū)和電池模塊區(qū)兩部分。元件集成區(qū)布置油泵、過濾器和油管接頭等元件。為使各電池單體散熱均勻，設計3進1出的流體通道，變壓器油通過直徑為8mm的3個進油口進入電池箱體與電池組完成換熱。電池模塊區(qū)中的電池組由16個電池單體串聯(lián)而成，考慮到電池箱體總體尺寸，分成兩排(每排8個電池單體)布置在固定板的限位槽中。排與排的距離為10mm，電池單體間的間隙均為2mm。固定板與電池箱體底部之間有10mm的距離，以加強變壓器油與電池底部的換熱。油泵電源線、電池正負極柱接線、溫度傳感器和電壓監(jiān)測裝置的導線通過箱體頂端開設的3個直徑為20mm的導線孔伸出箱外連接相應設備。實際電池組結(jié)構較復雜，在物理建模時須對其簡化。省略掉電池連接極片、正負極柱、固定板、固定支架和螺栓，并假設電池在工作時比熱容和密度均為常量。模型的網(wǎng)格劃分在ANSYS的meshing模塊中完成，電池組處理為結(jié)構化網(wǎng)格，變壓器油處理為結(jié)構化與非結(jié)構化的混合網(wǎng)格，局部加密。共計274 697個單元和196 364個節(jié)點。

2.3 邊界條件的設置

將網(wǎng)格模型導入流體動力學分析軟件Fluent中進行邊界條件設置。系統(tǒng)初始溫度和外界溫度設置為25℃。流量入口邊界設置為6L/min，溫度為恒定值25℃，出口邊界設置為outflow自由流動。壁面邊界有兩個：電池組與變壓器油的流固耦合邊界和電池箱體與外部環(huán)境的邊界。對于前者，由Fluent自動生成couple邊界，耦合電池組與變壓器油的換熱。由于箱體內(nèi)部換熱遠大于箱體與外界的換熱，對于后者，本文設置該壁面絕熱。采用k-ε模型模擬變壓器油的湍流流動。熱源的設置根據(jù)式(3)計算得到，并通過UDF模塊載入。

3 散熱效果的仿真分析

電動汽車需要大的功率以達到最高車速，克服最大爬坡度和實現(xiàn)急加速，要求電池在極限工況下工作。本文中綜合電池最大連續(xù)放電電流和試驗設備放電范圍，以148A(4C倍率)模擬電池組的極限工況，放電時間為900s。繪制電池外表面溫度云圖以顯示電池在放電結(jié)束時的外部溫度分布情況，取靠近出油口側(cè)的一排電池的剖面為分析對象以觀察電池內(nèi)部的溫度分布情況，如圖5所示。為觀察變壓器油的流動情況，繪制流體軌跡分布圖，如圖6所示。

由圖5可知，在4C(148A)的極限工況下模組的最高溫度達到34.2℃，最高溫度出現(xiàn)在電池內(nèi)核中心。電池組最大溫升值為9.2℃，表面最大溫差為3.3℃。通過固定板固定電池組的方法加強了變壓器油與電池底部的換熱效果，避免了熱量在電池組底部累積。由圖6可以看出，3個進油口的設置使變壓器油均勻流過各電池表面帶走熱量，冷卻流道分布合理，溫度均勻性好。從而在極限工況下保證了冷卻效果和單體間的溫度均勻性，滿足散熱要求。

4 直接接觸液冷方法的試驗驗證

4.1 試驗裝置

電池模塊由16個37A·h的電池單體通過鋁合金極片焊接串聯(lián)成組。電池箱體分為左側(cè)的電池模塊區(qū)和右側(cè)的元件集成區(qū)。在箱體左側(cè)，電池組通過固定板上的限位槽完成固定，固定板與電池箱內(nèi)側(cè)壁的支架用螺釘連接。電池組伸出的正負極接線與電池測試系統(tǒng)連接，溫度傳感器采集預設測點的溫度數(shù)據(jù)，每個電池單體進行電壓實時監(jiān)測，避免超過電池規(guī)格書中規(guī)定的截止電壓。在箱體右側(cè)安放油泵、過濾器、油管接頭等元件。散熱器、儲油器置于箱體之外。連接油管，注入變壓器油至充滿整個系統(tǒng)，從而完成試驗平臺的搭建工作。試驗系統(tǒng)如圖7所示。

4.2 試驗方法

采用EL-15KA高低溫箱控制外界環(huán)境的溫度。采用拜特電池測試系統(tǒng)進行模組充放電。布置16組電壓采集裝置實時監(jiān)測各單體電壓，任意一個單體電壓降到2.8V時停止放電。布置如圖8所示的10個溫度測點，從前面分析可以看出，各電池單體中心區(qū)域溫度較其他地方稍高，所以測點均布置于電池表面的中心，全面反映電池模組整體溫度情況。溫度傳感器用絕緣膠布粘貼在電池表面，精度為0.1℃，每隔10s記錄1次數(shù)據(jù)。

電池組按標準的充電規(guī)范(在環(huán)境溫度25℃條件下，采用先恒流再恒壓方式充電，恒流電流為1C倍率，恒壓電壓為4.2V，在恒壓過程中電流降到1.85A時終止充電)充滿電后把恒溫箱的溫度調(diào)節(jié)至25℃并靜置10h，待各測點溫度穩(wěn)定后啟動油泵循環(huán)油液，同時啟動電池測試系統(tǒng)對電池組進行148A放電，任何一個單體電壓降至2.8V時停止放電。

4.3 試驗結(jié)果

記錄模組放電過程中各溫度測點的溫度變化情況，如圖9所示。

從圖9看出，各溫度測點溫度變化趨勢基本一致，靠近進油口側(cè)測點的溫度值比靠近出油口側(cè)測點溫度值略低。位于電池縫隙中的測點溫度值稍高于其他測點，尤其體現(xiàn)在6號和10號測點。電池模塊最高溫度為42.8℃，最大溫差為4.1℃。仿真分析中進油口的溫度為恒定值25℃，而試驗中高溫油液經(jīng)過散熱器與外界換熱后不能及時冷卻至25℃，這是試驗值與仿真值差異較大的原因。為驗證這一情況，在散熱器旁加入功率為7.8W、風量為131.07L/h的小型風扇，如圖10所示。加風扇后4C放電各測點溫度變化情況如圖11所示。

在散熱器旁加入小型風扇后，增強了變壓器油與25℃的外界環(huán)境的換熱，改善了系統(tǒng)的散熱效果。電池模塊最高溫度為39.8℃，最大溫差為2.7℃，滿足散熱要求。在驗證了現(xiàn)有試驗條件下存在油液溫度不可控問題的同時，也說明了輔以主動冷卻手段對于進一步提高電池組散熱效果的可行性。小型風扇風力有限，如果利用汽車行駛過程中的自然風，散熱效果會更加明顯。在現(xiàn)有的試驗條件下暫不能解決對變壓器油溫度的控制問題，將來可考慮采用車用散熱器或冷凝器等設備取代試驗中的散熱器以實現(xiàn)對油液溫度的合理控制。

5 結(jié)論

以變壓器油為冷卻介質(zhì)，以液體直接接觸電池組為冷卻方法，以仿真和試驗為研究手段，對直接接觸液體冷卻方法的散熱效果進行了研究，得到如下結(jié)論。

(1) 在直接接觸液體冷卻方法的研究中體現(xiàn)了變壓器油良好的傳熱性、流動性和安全性，可將其作為車用電池組冷卻應用的優(yōu)良冷卻介質(zhì)。

(2) 合理的散熱結(jié)構有助于改善冷媒的流場分布和冷卻效果。以3進1出的流體通道并考慮模組底部冷卻為基礎的散熱結(jié)構使冷卻效果顯著，電池組的最高溫度和最大溫差在極限工況下可分別控制在34.2和3.3℃，滿足散熱要求。

(3) 試驗過程中各電池單體溫度均勻性良好，但與仿真值比較，溫升較高。采用加小型風扇的方法驗證了冷卻油液溫度不可控的問題，同時說明了輔以主動冷卻手段對于改善散熱效果的可行性。受現(xiàn)有試驗條件的局限，將來可考慮采用車用散熱器或冷凝器等設備實現(xiàn)對油液溫度的合理控制。

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A Research on the Direct Contact Liquid Cooling Method of Lithium-ion Battery Pack

Luo Yutao, Luo Buersi & Lang Chunyan

SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640

A direct contact fluid cooling scheme with transformer oil as coolant for a 37A·h lithium-ion battery for electric vehicle is proposed and a thermal model for its heat dissipation structure is created. The heat dissipation effects of battery are analyzed in a discharging condition of 4C (148A) by simulation and test. The results of simulation show that the three-in one-out flow channel structure has a good effects of heat dissipation, and the peak temperature and the maximum temperature difference of battery pack can be controlled at 34.2°C and 3.3°C respectively under extreme condition, and the results of liquid cooling verify that the cooling effects of the scheme proposed meet design requirements, but the problem of uncontrollable coolant temperature in present test condition remains to be solved.

EV; lithium-ion battery pack; liquid cooling with direct contact; heat dissipation

*廣東省重大科技專項(2015B010119002,2014B010127001)和中央高?；究蒲袠I(yè)務費(2015ZP012,2015ZY015)資助。

原稿收到日期為2015年11月27日，修改稿收到日期為2016年2月25日。