基于導(dǎo)熱膠散熱的電池包熱流場(chǎng)特性研究?

徐曉明，蔣福平，田晉躍，李仁政，傅家麒

基于導(dǎo)熱膠散熱的電池包熱流場(chǎng)特性研究?

徐曉明，蔣福平，田晉躍，李仁政，傅家麒

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

基于某微型電動(dòng)汽車55A·h鋰離子動(dòng)力電池包的單體發(fā)熱功率測(cè)定數(shù)據(jù)，在勻速行駛、持續(xù)加速和NEDC 3種工況下，通過FLOEFD仿真對(duì)比分析單體之間為空氣和單體之間填充導(dǎo)熱膠兩種電池包的溫度場(chǎng)分布情況。結(jié)果表明:勻速行駛工況結(jié)束時(shí)刻，使用導(dǎo)熱膠填充間隙的電池包溫差比間隙為空氣的電池包降低了1.41℃；持續(xù)加速工況結(jié)束時(shí)刻，溫差降低了0.14℃；NEDC工況結(jié)束時(shí)刻，溫差降低了0.2℃。可見導(dǎo)熱膠對(duì)降低電池包溫升與均衡電池包溫度場(chǎng)方面有明顯作用。

電池包；強(qiáng)迫風(fēng)冷；導(dǎo)熱膠；溫度均衡；溫差；一致性

前言

微型電動(dòng)車是專為近距離出行開發(fā)的環(huán)保型乘用車輛?？紤]到微型電動(dòng)車行程較短，一般采用較小體積與容量的電池包，配合以強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，即可滿足需求。

電動(dòng)汽車電池包要求結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)簡(jiǎn)單，能量密度高。由于各個(gè)電池單體在模塊中所處的位置不同，不可避免會(huì)造成電池之間溫度的差異。在電池成組應(yīng)用時(shí)，溫度的差異會(huì)引起電池中電流分布的不同、電池衰減不一致[1－2]等，引起電池包的使用壽命快速衰減，最終導(dǎo)致電池包的壽命遠(yuǎn)低于電池單體的循環(huán)壽命。從熱管理的角度進(jìn)行電池成組設(shè)計(jì)的研究開發(fā)主要在兩個(gè)方面考慮:(1)如何將電池包放電產(chǎn)生的熱量及時(shí)散出；(2)如何使模塊內(nèi)單體之間溫差盡可能小。如果不能將電池包放電所產(chǎn)生的熱量及時(shí)排出，會(huì)造成熱量的聚集，影響電池包的使用安全性和一致性，出現(xiàn)熱濫用的狀況，最終甚至可能導(dǎo)致電池包起火爆炸[3－4]。同時(shí)，模塊內(nèi)單體溫度的不一致是導(dǎo)致電池性能衰退的主要原因之一，單體溫度的不一致會(huì)導(dǎo)致電池包的短板效應(yīng)，使得電池包的使用壽命急劇縮短。如果這兩個(gè)問題能找到優(yōu)化解決的方案，電池成組后的性能會(huì)得到很大提升。

電池單體溫差的控制目標(biāo)應(yīng)根據(jù)不同品牌電池單體受溫度的影響情況來確定。在正常應(yīng)用條件下，不同電池的容量和功率之間的差異應(yīng)不超過5%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，常用的蓄電池(如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等)在溫度差異不超過5～8℃的情況下，電池性能差異就不會(huì)超過5%。在實(shí)際應(yīng)用中，電池包越大，溫差越難控制。

在電池包中電池單體成組設(shè)計(jì)時(shí)，電池單體之間往往存在一定的空氣間隙，由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，造成單體之間是不理想的接觸。這在一定程度上影響了單體之間的熱傳遞，從而影響了單體之間的溫度一致性。本文中以某微型電動(dòng)車動(dòng)力電池包為研究對(duì)象，采用導(dǎo)熱膠填充電池單體之間的間隙，來均衡電池包內(nèi)的溫度[5]。通過仿真對(duì)比單體之間為空氣與單體之間填充導(dǎo)熱膠的兩種電池包的溫度場(chǎng)分布情況，驗(yàn)證該方法的有效性。

1 電池單體發(fā)熱功率測(cè)定

1.1 磷酸鐵鋰電池的熱物性參數(shù)

本文中所使用的電池包采用55A·h磷酸鐵鋰電池，成組形式為2并36串，共72節(jié)電池單體，電池包大小為644mm×654mm×232mm，散熱形式采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，如圖1所示。55A·h磷酸鐵鋰電池各部分的熱物性參數(shù)如表1所示。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)

電池單體的密度可通過壓實(shí)密度來表示[6]:

表1 55A·h磷酸鐵鋰電池部分參數(shù)

式中:m為電池單體的質(zhì)量；V為電池單體的體積。

電池單體比熱容為

式中ci和mi分別為電池單體各部分材料的比熱容和質(zhì)量。

該55A·h鋰離子電池主要由鋁箔、銅箔和正負(fù)材料等疊加而成。由于組成電池單體的各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，這對(duì)電池發(fā)熱仿真的精準(zhǔn)度造成了一定的影響。本文中根據(jù)傳熱學(xué)中串并聯(lián)熱阻的原理，計(jì)算該電池單體3個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)。在三維的電池幾何模型中，規(guī)定垂直于電池的正極板的方向?yàn)閤軸，其它兩個(gè)方向分別為y和z方向。熱量沿x軸的傳遞可看做沿串聯(lián)形式傳遞，沿y和z軸的方向可看做沿并聯(lián)形式傳遞。電池單體3個(gè)方向?qū)嵯禂?shù)分別為

式中:x方向?yàn)殡姵貑误w正極片的法向方向；λi為電池內(nèi)部不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)；li為電池內(nèi)部不同材料的厚度。

1.2 電池單體發(fā)熱功率測(cè)試

測(cè)試單體發(fā)熱功率時(shí)在電池單體的側(cè)壁布置有3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，底部布置有2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，試驗(yàn)中采用3層絕熱材料來包裹電池，以此來保證電池單體具有較好的絕熱性能[7－11]，如圖2所示。

圖2 55A·h鋰離子電池單體測(cè)溫點(diǎn)布置和絕熱設(shè)計(jì)

測(cè)試時(shí)，分別記錄電池單體以不同倍率充放電時(shí)的溫升與充放電時(shí)間。然后先后計(jì)算出電池單體以不同充放電倍率充放電時(shí)的發(fā)熱量Q和發(fā)熱功率P:

式中:Q為電池單體的發(fā)熱量；cp為電池單體的比熱容；m為電池單體的質(zhì)量；ΔT為電池單體的溫升。

式中:P為電池單體的發(fā)熱功率，W；t為電池單體的充放電時(shí)間，s。

表2為不同充放電倍率時(shí)電池單體的發(fā)熱功率。

表2 不同充放電倍率時(shí)電池單體發(fā)熱功率

將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用三次多項(xiàng)式擬合，可得到電池單體發(fā)熱功率隨充放電倍率變化曲線，如圖3所示。

對(duì)應(yīng)的擬合公式為

圖3 不同充放電倍率時(shí)電池單體發(fā)熱功率曲線

2 導(dǎo)熱膠對(duì)電池散熱影響分析

為使電池包內(nèi)部的溫度場(chǎng)更加均衡，同時(shí)保證并聯(lián)單體之間的電絕緣性，提出用導(dǎo)熱膠來填充單體電池之間的間隙。導(dǎo)熱膠的參數(shù)見表3。

表3 導(dǎo)熱膠參數(shù)

在分析導(dǎo)熱膠對(duì)電池散熱影響時(shí)，首先選擇一個(gè)電池模塊作為研究對(duì)象。在同樣的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，比較電池單體之間為空氣和填充導(dǎo)熱膠的兩種模塊的溫度分布。由于電池單體之間的空氣幾乎不流動(dòng)，雖然空氣的導(dǎo)熱性能差，但不能忽略電池間隙中空氣的熱傳導(dǎo)作用。在仿真時(shí)，假定空氣為不可流動(dòng)的傳熱介質(zhì)，設(shè)置電池的初始溫度等于環(huán)境溫度27℃，電池與空氣的自然對(duì)流系數(shù)為20W/ (m2·K)，電池模塊1C放電時(shí)的生熱速率為8 754.33W/m3，仿真時(shí)間為3 600s。

圖4為兩種電池模塊表面溫度云圖。對(duì)于間隙為空氣的電池模塊，由于空氣的熱傳導(dǎo)能力較差，位于中間位置的電池產(chǎn)生的熱量無法排出，故中間電池溫度普遍較高。對(duì)于間隙填充導(dǎo)熱膠的電池模塊來說，導(dǎo)熱膠構(gòu)建了電池單體之間的熱通道，電池模塊相當(dāng)于一個(gè)整體。中間位置的電池可以通過導(dǎo)熱膠向兩端傳遞熱量，使電池模塊的最大溫差有所下降。可見導(dǎo)熱膠可有效地起到溫度均衡的作用。

圖4 兩種電池模塊表面溫度場(chǎng)與中間截面溫度場(chǎng)對(duì)比

圖5 為兩種電池模塊溫差曲線。間隙為空氣的電池模塊的最高溫升為10.18℃，最大溫差為4.4℃。間隙填充導(dǎo)熱膠的電池模塊的最高溫升為9.67℃，最大溫差為3.59℃。使用導(dǎo)熱膠的電池模塊的最低溫度有所上升，這是因?yàn)槟K中間電池的部分熱量通過導(dǎo)熱膠傳遞給相鄰溫度較低的電池，熱量依次向模塊的兩端傳遞。由于冷卻效率的限制，整個(gè)模塊的最低溫度有所上升，同時(shí)中間電池因?yàn)槠錈崃肯騼啥穗姵貍鬟f，其溫度有所下降。與間隙為空氣的電池模塊相比間隙填充導(dǎo)熱膠的模塊的溫差下降了0.81℃。

圖5 兩種電池模塊溫差對(duì)比

3 不同工況下電池包熱流場(chǎng)特性研究

根據(jù)55A·h鋰離子電池單體發(fā)熱功率測(cè)定數(shù)據(jù)，以微型電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包為研究對(duì)象，針對(duì)勻速行駛、持續(xù)加速和NEDC 3種工況，通過FLOEFD仿真對(duì)比分析單體之間為空氣與單體之間填充導(dǎo)熱膠的兩種電池包的溫度場(chǎng)分布情況[12－15]。

從功率平衡方程式可知電機(jī)的輸出功率為

式中:m為整車滿載質(zhì)量，1000kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，0.015，A為迎風(fēng)面積，1.35m2；CD為空氣阻力系數(shù)，0.4；α為坡度角；u為車速，km/h；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，1.03。

根據(jù)電機(jī)的輸出功率與輸入功率的關(guān)系得

式中:PMI為電動(dòng)機(jī)輸入功率；ηm為電機(jī)效率。

另一方面，電機(jī)輸入功率又等于控制器效率與電池組輸出功率的乘積。若忽略蓄電池內(nèi)阻引起接通電路后端電壓的下降，可得

式中:UB為蓄電池組輸出電壓；IB為蓄電池組輸出電流；ηiv為控制器效率。

由式(9)和式(10)可得電池包的放電電流為

3.1 勻速行駛工況

電動(dòng)汽車以75km/h在水平路面上勻速行駛時(shí)，電池包的平均放電倍率為0.82C，電動(dòng)車可持續(xù)運(yùn)行約4 500s。間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的最高溫度為34.20℃，最低溫度為26.96℃，最大溫差為7.24℃。間隙為空氣的電池包，最高溫度為35.13℃，最低溫度為26.48℃，溫差為8.65℃。圖6為兩種電池包以0.8C倍率放電4 500s的溫度場(chǎng)截面圖，圖7為溫差曲線圖。由圖可見:使用強(qiáng)迫風(fēng)冷后電池包溫度場(chǎng)整體向出風(fēng)口移動(dòng)最高溫度出現(xiàn)在中間偏右側(cè)；電池單體之間填充導(dǎo)熱膠后，由于電池之間的熱傳導(dǎo)整個(gè)溫度場(chǎng)更加均勻，高溫區(qū)域明顯縮?。皇褂脤?dǎo)熱膠填充間隙的電池包溫差比間隙為空氣的電池包降低了1.41℃，可見導(dǎo)熱膠對(duì)電池包溫度場(chǎng)的均衡有著較大作用。

圖6 勻速行駛時(shí)兩種電池包溫度場(chǎng)對(duì)比

圖7 勻速行駛時(shí)兩種電池包溫差對(duì)比

3.2 持續(xù)加速工況

電動(dòng)車分別以40，50，60，75km/h各行駛5min，電動(dòng)車在水平路面上行駛時(shí)的車速對(duì)應(yīng)的放電電流見表4，可根據(jù)表4和式(7)，計(jì)算出電池包在不同放電電流下的生熱速率。

表4 不同行駛車速電池包的放電倍率

電動(dòng)車持續(xù)運(yùn)行約1 240s。間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的最高溫度為23.10℃，最低溫度為21.85℃，最大溫差為1.25℃。間隙為空氣的電池包，最高溫度為23.31℃，最低溫度為21.92℃，溫差為1.39℃。使用導(dǎo)熱膠填充間隙的電池包溫差比間隙為空氣的電池包降低了0.14℃，可見導(dǎo)熱膠對(duì)電池包短時(shí)間放電時(shí)對(duì)溫度場(chǎng)的均衡所起到的作用不是很明顯。這是由于該時(shí)間段雖然電池包的放電倍率大，對(duì)應(yīng)的放電生熱速率高。但由于放電時(shí)間短，總的生熱量小，造成電池包的總溫升與溫差相對(duì)較小。而持續(xù)高速勻速行駛時(shí)，電池包的放電狀態(tài)為恒流放電，因而電池包的生熱速率也基本保持一致。此時(shí)，由于風(fēng)扇所帶有熱量能力的限制，隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，電池包的溫度與溫差呈上升趨勢(shì)，直至達(dá)到溫度平衡狀態(tài)。兩者相比，由于電池包的放電狀態(tài)不同，即相同時(shí)間內(nèi)電池包放電產(chǎn)生的總熱量不同。因此，在相同的放電時(shí)間下，電池包在兩種工況下的溫升與溫差也有所不同。圖8為持續(xù)加速時(shí)兩種電池包溫度場(chǎng)截面圖，圖9為溫差曲線圖。由圖可見，由于電動(dòng)汽車加速時(shí)電池包以大倍率放電的時(shí)間較短，其引起的溫升也較小。由此可見電動(dòng)車短時(shí)間內(nèi)的大電流放電并不會(huì)引起電池包溫度的急劇上升，反倒是當(dāng)電動(dòng)車以較快速度行駛時(shí)電池包溫度上升得更加明顯，從而電池包的溫差也隨著溫度的上升而在逐步加大。

圖8 持續(xù)加速時(shí)兩種電池包溫度場(chǎng)對(duì)比

圖9 持續(xù)加速時(shí)兩種電池包溫差對(duì)比

3.3 NEDC工況

電動(dòng)車運(yùn)行了2個(gè)NEDC循環(huán)，包含8個(gè)市區(qū)循環(huán)、2個(gè)市郊循環(huán)，共運(yùn)行2 380s。間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的最高溫度為23.65℃，最低溫度為22.05℃，最大溫差為1.6℃。間隙為空氣的電池包，最高溫度為23.89℃，最低溫度為22.09℃，溫差為1.8℃。使用導(dǎo)熱膠填充間隙的電池包溫差比間隙為空氣的電池包降低了0.2℃。圖10為持續(xù)加速時(shí)兩種電池包溫度場(chǎng)截面圖，圖11為溫差曲線圖。從圖中可以看出，在市區(qū)工況運(yùn)行時(shí)，由于車輛主要以低速運(yùn)行為主，電池包內(nèi)溫差較小。在市郊工況運(yùn)行時(shí)，由于有一些短時(shí)間的高速運(yùn)行，電池包內(nèi)的溫差快速增加。此外由于一些急加速也會(huì)使得電池包內(nèi)溫升與溫差加大。

圖10 NEDC工況兩種電池包溫度場(chǎng)對(duì)比

圖11 NEDC工況兩種電池包溫差對(duì)比

4 結(jié)論

分別對(duì)勻速行駛、持續(xù)加速和NEDC 3種工況進(jìn)行分析，電池單體間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的溫升與溫差明顯小于間隙為空氣的電池包。由此可見導(dǎo)熱膠對(duì)降低電池包溫升與均衡電池包溫度場(chǎng)方面有明顯作用。進(jìn)行電池包熱設(shè)計(jì)時(shí)，在電池包結(jié)構(gòu)無法做出改變的情況下，可通過在電池單體之間填充導(dǎo)熱膠的方式來降低電池包的溫升與溫差。在可變更電池包結(jié)構(gòu)的情況下，通過改變電池包結(jié)構(gòu)和在電池單體間填充導(dǎo)熱膠來使電池包處在合適的工作環(huán)境下。

電動(dòng)車在加速行駛時(shí)由于加速時(shí)間較短，即電池包在進(jìn)行短時(shí)間的大電流放電時(shí)，電池的溫升與溫差上升較小。而高速勻速行駛時(shí)由于熱的積累與長(zhǎng)時(shí)間恒流放電，電池包的溫升與溫差上升明顯。這是電池包熱管理設(shè)計(jì)者所應(yīng)該關(guān)注的。

本文中分析了強(qiáng)迫風(fēng)冷在中小容量的電池包中的使用。通過對(duì)比在電池包間隙填充導(dǎo)熱膠與間隙為空氣兩種電池包在不同工況下的散熱效果表明，使用導(dǎo)熱膠填充電池單體間隙對(duì)電池包的散熱效果有明顯作用。本文中的研究結(jié)果可為巡邏車、微型代步車等純電動(dòng)汽車的電池包的散熱設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。但在設(shè)計(jì)大容量電池包時(shí)，使用強(qiáng)迫風(fēng)冷可能仍不滿足電池包的溫度要求，此時(shí)需要考慮使用液冷散熱結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱膠協(xié)同使用。

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A Research on the Heat Flow Field Characteristics of Battery Pack Based on Heat Conduction Glue Cooling

Xu Xiaoming，Jiang Fuping，Tian Jinyue，Li Renzheng＆Fu Jiaqi
School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013

Based on the measured data of single cell thermal power of 55A·h lithium-ion battery pack in an electric micro vehicle，a simulation with FLOEFD software is conducted to comparatively analyze the temperature field distribution of two battery packs with air gap and filled with heat conduction glue between cells respectively under three different conditions(constant speed，sustained acceleration and NEDC cycle).The results show that at the end of constant speed driving，the temperature difference between cells in the pack using heat conduction glue is 1.41℃less than the pack with air gap，and the value is reduced to o.14℃and 0.2℃respectively for sustained acceleration driving and NEDC cycle，demonstrating the apparent effects of heat conduction glue in reducing the temperature rise and equalizing the temperature field of battery pack.

battery pack；forced air cooling；heat conduction glue；temperature equilibrium；temperature difference；consistency

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.006

?國(guó)家自然科學(xué)基金(51505196)、江蘇省自然科學(xué)青年基金(BK20140559)、中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目(2014M561582)、江蘇省博士后基金(1302036B)和江蘇大學(xué)高級(jí)人才專項(xiàng)項(xiàng)目(1281120041)資助。

原稿收到日期為2016年9月8日，修改稿收到日期為2016年10月25日。

徐曉明，副教授，E-mail:xuxiaoming3777＠163.com。