混合動(dòng)力汽車用鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

趙國(guó)柱，李 亮，招曉荷，周廷博

?

混合動(dòng)力汽車用鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

趙國(guó)柱，李 亮，招曉荷，周廷博

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

為研究動(dòng)力電池組的溫度特性以及維持其工作在最佳的溫度范圍內(nèi)，以鋰離子電池為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種新型混合動(dòng)力汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，利用空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)來(lái)調(diào)控電池組的溫度。建立了鋰電池組的三維瞬態(tài)產(chǎn)熱數(shù)值模型，以電池組的三維尺寸和進(jìn)風(fēng)口流速為輸入?yún)?shù)，以降低電池組的最大溫升和提高電池組的溫度均勻性為輸出參數(shù)，利用FLUENT仿真軟件和DesignXplorer模塊進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)了電池組的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的電池組的溫升比優(yōu)化前降低了5.39 K，電池組溫差降低了6.41 K。分析了恒倍率放電以及對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)單體電池溫升的影響，研究表明：放電倍率越大電池溫升越快，放電結(jié)束后電池的溫度越高，在對(duì)流換熱系數(shù)小于30 W/(m2·K)時(shí)，散熱效果明顯。對(duì)電池組在不同條件下加熱或者冷卻進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了該電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的可行性。

混合汽車；電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)；FLUENT；發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)；空調(diào)系統(tǒng)

鋰離子電池由于其容量大、電壓高、比能量高以及無(wú)污染的特點(diǎn)被認(rèn)為是新能源汽車?yán)硐氲哪芰看鎯?chǔ)技術(shù)[1]。然而，鋰電池對(duì)溫度十分敏感，過(guò)高或者過(guò)低的溫度會(huì)導(dǎo)致其循環(huán)壽命縮短、工作效率降低、可靠性下降以及其它安全性問(wèn)題[2-3]。在鋰電池放電的過(guò)程中，由于電化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)阻會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱，若散熱速率低于產(chǎn)熱速率，將導(dǎo)致電池局部溫度迅速升高[4]；另一方面，在高海拔地區(qū)或寒冷的季節(jié)，鋰電池工作的環(huán)境溫度較低，一般需要對(duì)電池預(yù)熱來(lái)緩解低溫對(duì)其工作的不利影響[5]。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要作用是維持鋰電池在最佳的溫度區(qū)間20～40 ℃內(nèi)高效的工作[6-7]。為保證鋰電池工作在適宜的溫度區(qū)間，提高電池組整體工作效率，需要對(duì)該動(dòng)力電池組進(jìn)行必要的熱管理。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)按照其冷卻方式可以劃分為風(fēng)冷式、液冷式、相變材料式和熱管式[8-10]。PARK等[9]利用理論研究與數(shù)值建模相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了滿足散熱能力的風(fēng)冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。FAN等[11]對(duì)棱柱形鋰離子電池的空氣冷卻模塊進(jìn)行三維瞬態(tài)熱分析，發(fā)現(xiàn)增大電池之間的間隙和更高的空氣流速可以降低最高溫升，為了改善模塊上的溫度均勻性，間隙間距應(yīng)適中。WANG等[12]首先探討了電池以矩形排列、六邊形排列以及圓形排列的結(jié)構(gòu)下電池模塊的熱性能，并在電池模塊的不同位置安裝風(fēng)扇來(lái)研究空氣冷卻策略如何改善溫度均勻性。XU等[13]選擇強(qiáng)制風(fēng)冷作為研究對(duì)象，研究不同氣流管道模式的散熱性能，結(jié)果表明，將縱向電池組改為臥式電池組，可以通過(guò)縮短氣流路徑來(lái)改善散熱性能；它增加了底部導(dǎo)管，增加了導(dǎo)熱的接觸面積，電池組頂部區(qū)域存在自然對(duì)流，因此底管模式的散熱性能更優(yōu)越。

目前，針對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究沒有考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱與空調(diào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)，共同作用維持電池包在適宜的溫度范圍內(nèi)。本工作提出一種適用于混合動(dòng)力汽車用的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該系統(tǒng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的加熱和空調(diào)系統(tǒng)的制冷作用，來(lái)調(diào)節(jié)鋰離子電池組的工作溫度，同時(shí)也對(duì)電池組進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

如圖1所示為混合動(dòng)力汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)、電池包以及空調(diào)系統(tǒng)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用空氣作為加熱或冷卻電池包的載體。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)根據(jù)電池包的溫度，采取相對(duì)應(yīng)的熱管理策略。當(dāng)電池包需要加熱時(shí)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣余熱通過(guò)氣-氣熱交換器把熱量帶入到電池包內(nèi)，以此來(lái)加熱電池；當(dāng)冷卻電池包時(shí)，利用空調(diào)系統(tǒng)的冷風(fēng)來(lái)冷卻電池包。

圖1 混合動(dòng)力汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 鋰離子電池的熱物性參數(shù)

本文的研究對(duì)象為國(guó)產(chǎn)某型號(hào)100 A·h磷酸鐵鋰電池，該型號(hào)電池允許的最大充放電電流為1 C。表1是鋰電池及其它部分材料的熱物性參數(shù)，電池的比熱容、密度等參數(shù)利用加權(quán)平均法求得。

表1 電池及其它部分材料的熱物性參數(shù)

2.2 主要的實(shí)驗(yàn)儀器

恒溫恒濕箱，型號(hào)為BLH-300，上海博翎儀器設(shè)備有限公司；電池充放電測(cè)試柜，型號(hào)為BTS1450，深圳市菊水皇家科技有限公司；國(guó)產(chǎn)某公司提供的可接觸式溫度傳感器；溫度采集卡，可以實(shí)時(shí)測(cè)試10個(gè)不同位置的溫度。

2.3 電池芯及極柱的生熱率

電池芯的生熱率，一般采用的是一種基于電池內(nèi)部物質(zhì)發(fā)熱均勻的電池生熱率計(jì)算式[14]，見式(1)

式中，為電池中的電流，單位A；為電池芯的體積；dOC/d為電池的電壓隨溫度變化的溫度系數(shù)，一般取-0.5 mV/K；為電池芯的電阻；為電池的溫度，單位K。

由于正負(fù)極柱產(chǎn)生的焦耳熱，其生熱率計(jì)算公式如式(2)和式(3)

式中，p、n分別為電池正負(fù)極柱的生熱率；為電池中的電流，單位A；p、n為鋁和銅的電阻率分別為2.83×10-8Ω·m、1.75×10-8Ω·m。

表2是單體電池各部分的生熱率，主要列出4種恒倍率充放電下，電池各部分的生熱率。

表2 電池各部分生熱率

2.4 電池組的優(yōu)化與設(shè)計(jì)

為了使電池組的溫度更加均勻，借助于ANSYS Workbench中的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，采用多目標(biāo)遺傳算法，該算法支持所有類型的參數(shù)輸入，如圖2為多目標(biāo)遺傳算法（MOGA）的優(yōu)化流程。帕累托排 名方案是通過(guò)一種快速的非支配排序完成的，比 傳統(tǒng)的帕累托排序方法快一個(gè)數(shù)量級(jí)。約束處理 使用與目標(biāo)相同的非支配原則，不需要補(bǔ)償函數(shù)和拉格朗日乘數(shù)，確保了可行解的排序總是高于不可行解。

圖2 MOGA優(yōu)化流程

如圖3所示為采用風(fēng)冷式電池?zé)峁芾矸桨?。主要考慮3個(gè)重要參數(shù)對(duì)電池組熱管理的影響，在合理的范圍內(nèi)，對(duì)每個(gè)因素的取值區(qū)間內(nèi)取值進(jìn)行仿真對(duì)比，以評(píng)價(jià)電池組最大溫升和最小的電池組溫差。設(shè)定單體電池之間的距離為s_（m），電池組入口風(fēng)速為（m/s），電池包入口與橫坐標(biāo)的夾角為度。

圖3 電池組的參數(shù)設(shè)計(jì)

表3為參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化結(jié)果，從中可以看出優(yōu)化前后電池組的溫升分別為11.81 K、6.42 K，電池組的溫差依次為10.74 K、4.33 K。圖4是優(yōu)化前和優(yōu)化后電池組的溫度場(chǎng)分布，可以看出優(yōu)化前電池組的一端溫度較高，相對(duì)應(yīng)的另一端溫度較低，優(yōu)化后電池的最大溫度下降到306 K，且電池組整體溫度分布比較均勻。

圖5是優(yōu)化前和優(yōu)化后電池組內(nèi)最大和最小溫度的變化趨勢(shì)。圖6是電池組不同溫度區(qū)間占整個(gè)電池組的比例，結(jié)合圖4可以很容易得知：優(yōu)化 前電池組的溫度在302～312 K，優(yōu)化后溫度在303～307 K，不僅電池組的溫度分布集中，而且最高溫度由312 K降低到307 K，說(shuō)明優(yōu)化的效果比較明顯。

表3 參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化結(jié)果

圖4 放電結(jié)束后電池組的溫度場(chǎng)分布

圖5 優(yōu)化前后電池組溫度變化

圖6 電池組不同溫度區(qū)間分布

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單體電池的溫度特性

3.1.1 恒倍率放電

單體電池的溫度采集點(diǎn)布置如圖7所示，其中在單體電池頂部和兩個(gè)側(cè)面各有一個(gè)溫度采集點(diǎn)，共計(jì)3個(gè)點(diǎn)?？紤]到電池成組后前后兩個(gè)面被覆蓋，故不在這兩個(gè)面設(shè)置溫度采集點(diǎn)。圖8是不同恒倍率下放電以及對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)條件下，電池放電過(guò)程中溫度的變化，其數(shù)值取3個(gè)溫度采集點(diǎn)的平均值。從溫升曲線可以得知：①溫度與放電時(shí)間呈正相關(guān)，而且變化率的趨勢(shì)在逐漸減小；②放電倍率越大，溫升則越快；③在0.3 C、0.4 C、0.5 C、1 C倍率放電結(jié)束后，單體電池的溫升依次為8.32 K、10.15 K、11.72 K、19.79 K。

圖7 電池的溫度采集點(diǎn)

圖8 電池在不同倍率放電下的溫度

3.1.2 不同對(duì)流換熱系數(shù)

針對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)電池溫度的影響，研究了電池放電倍率為0.3 C、0.4 C、0.5 C、1 C在對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)、10 W/(m2·K)、30 W/(m2·K)、60 W/(m2·K)、100 W/(m2·K)的條件下電池放電結(jié)束后電池的溫度。

圖9是單體電池在不同倍率、不同對(duì)流散熱系數(shù)下放電電池的溫升曲線。當(dāng)恒倍率放電時(shí)，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增加，放電終了時(shí)電池的溫度逐漸降低，且變化趨勢(shì)逐漸減小。在相同對(duì)流散熱系數(shù)的情況下，放電倍率越大放電結(jié)束后單體電池溫度越高。綜上可知，在對(duì)流換熱系數(shù)小于30 W/(m2·K)時(shí)，散熱效果明顯，當(dāng)大于此值時(shí)，雖然單體電池的溫度有所降低，但是效果不明顯。

圖9 電池溫度、放電倍率和換熱系數(shù)的關(guān)系

3.2 電池組的溫度特性

選取了10節(jié)方形鋰電池組成的電池組，根據(jù)前面優(yōu)化后的電池組參數(shù)進(jìn)行建模，來(lái)研究電池組的溫度特性，驗(yàn)證本工作設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的合理性，主要研究加熱和冷卻兩種工況下電池的熱特性。

3.2.1 加熱電池組

在混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)后且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后，由于電池組的溫度較低，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排放系統(tǒng)中高溫廢氣通過(guò)氣-氣熱交換器對(duì)電池包進(jìn)行加熱。分別研究5種情況下電池組的溫度特性。如表4所示為不同加熱條件下電池組的溫度特性。

表4 不同加熱條件下電池組的溫度特性

從表4中可以得出，（1）從實(shí)驗(yàn)①②知，僅當(dāng)電池組的初始溫度不同時(shí)，初始溫度越低加熱到適宜溫度時(shí)間越長(zhǎng)，且電池組的溫差越大；（2）從實(shí)驗(yàn)②③知，僅當(dāng)放電電流不同時(shí)，僅用空氣加熱時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)；（3）從實(shí)驗(yàn)①④知，僅當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速不同時(shí)，風(fēng)速越大需要的加熱時(shí)間越短，但是溫差卻變大了；（4）從實(shí)驗(yàn)④⑤知，僅當(dāng)進(jìn)風(fēng)初始溫度不同時(shí)，進(jìn)口風(fēng)溫度越大，需要加熱的時(shí)間越短，但電池組溫差越大。

3.2.2 冷卻電池組

在混合動(dòng)力汽車正常運(yùn)行后，由于電池組的溫度較高，利用空調(diào)系統(tǒng)中冷風(fēng)對(duì)電池包進(jìn)行降溫。分別研究3種情況下電池組的溫度特性。如表5所示為不同加熱條件下電池組的溫度特性。

表5 不同冷卻條件下電池組的溫度特性

表5為不同冷卻條件下電池組的溫度特性。從實(shí)驗(yàn)①③知，僅當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速不同的情況下，在進(jìn)口風(fēng)速20 m/s且放電結(jié)束時(shí)，電池溫升9.15 K，溫差為5.31 K；在進(jìn)口風(fēng)速40 m/s且放電結(jié)束時(shí)，電池溫升6.42 K，溫差為3.5 K。從實(shí)驗(yàn)②③知，在進(jìn)風(fēng)初始溫度和電池初始溫度比較低的情況下，放電結(jié)束后電池的溫升相應(yīng)的降低了，而且電池的溫差也變大。在不同的冷卻條件下，都能滿足電池組的溫差控制在5 K左右，符合電池組的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文對(duì)混合動(dòng)力汽車用鋰電池進(jìn)行了研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)了電池組結(jié)構(gòu)，并研究了電池組加熱和冷卻下電池組的溫度特性。得到以下結(jié)論。

（1）單體電池的溫度隨著恒放電倍率的增大而增大，在放電的過(guò)程中不斷改變放電倍率，放電終了時(shí)不同的放電過(guò)程電池的溫度不同。當(dāng)增大電池的對(duì)流換熱系數(shù)，可以降低電池的溫度，在對(duì)流換熱系數(shù)為從0增加到30 W/(m2·K)時(shí)，散熱效果顯著，而后效果不明顯。

（2）經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了一組比較好的電池組結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得優(yōu)化后的電池組的溫升比優(yōu)化前降低了5.39 K，電池組溫差降低了6.41 K，說(shuō)明借助于ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)能達(dá)到優(yōu)化電池組溫度場(chǎng)的目的。

（3）在優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電池組的基礎(chǔ)上，分別對(duì)電池組加熱和冷卻進(jìn)行了研究，驗(yàn)證自己設(shè)想的可行性。研究結(jié)果表明，電池的初始溫度越低，加熱的時(shí)間越長(zhǎng)。電池組一邊放電一邊加熱，可以使電池組的溫度快速升溫到適宜的溫度區(qū)間。當(dāng)風(fēng)速越大時(shí)，溫升所要的時(shí)間越短，但是電池組的溫差卻增大。冷卻過(guò)程也可以控制電池組的溫度在合理的溫度區(qū)間。

[1] 匡勇, 劉霞, 錢振, 等. 鋰離子電池產(chǎn)熱特性理論模型研究進(jìn)展[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2015, 4(6): 599-608.

KUANG Yong, LIU Xia, QIAN Zhen, et al. Review on heat generation theory model of lithium-ion battery[J]. Energy Storage Science and Technology, 2015, 4(6): 599-608.

[2] ZHANG S, ZHAO R, LIU J, et al. Investigation on a hydromel based passive thermal management system for lithium ion batteries[J]. Energy, 2014, 68(4): 854-861.

[3] Greco A, CAO D, JIANG X, et al. A theoretical and computational study of lithium-ion battery thermal management for electric vehicles using heat pipes[J]. Journal of Power Sources, 2014, 257(3): 344-355.

[4] 金標(biāo), 姜斌, 劉方方, 等. 車用動(dòng)力鋰電池產(chǎn)熱特性分析與優(yōu)化[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2018, 7(1): 128-134.

JIN Biao, JIANG Bin, LIU Fangfang, et al. Thermal characteristic analysis and optimization for vehicle power lithium battery[J].Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(1): 128-134.

[5] Pesaran A, Keyser M, Burch S. An approach for designing thermal management systems for electric and hybrid vehicle battery packs[R]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports, 1999.

[6] 張新強(qiáng), 洪思慧, 汪雙鳳. 增設(shè)通風(fēng)孔的風(fēng)冷式鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)數(shù)值研究[J]. 新能源進(jìn)展, 2015, 3(6): 422-428.

ZHANG Xinqiang, HONG Sihui, WANG Shuangfeng. Numerical investigation of air-cooled cylindrical lithium-ion battery thermal management system with vent[J]. Advances In New and Renewable Energy, 2015, 3(6): 422-428.

[7] Chacko S, Chung Y M. Thermal modeling of Li-ion polymer battery for electric vehicle drive cycles[J]. Journal of Power Sources, 2012, 213(9): 296-303.

[8] RAO Z, WANG S. A review of power battery thermal energy management[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(9): 4554-4571.

[9] Park H. A design of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources, 2013, 239: 30-36.

[10] Zhao J, Rao Z, Li Y. Thermal performance of mini-channel liquid cooled cylinder based battery thermal management for cylindrical lithium-ion power battery[J]. Energy Conversion & Management, 2015, 103: 157-165.

[11] FAN L, Khodadadi J M, Pesaran A A. A parametric study on thermal management of an air-cooled lithium-ion battery module for plug-in hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources, 2013, 238: 301-312.

[12] WANG T, Tseng K J, Zhao J, et al. Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies[J]. Applied Energy, 2014, 134: 229-238.

[13] XU X M, HE R. Research on the heat dissipation performance of battery pack based on forced air cooling[J]. Journal of Power Sources, 2013, 240(1): 33-41.

[14] Newman J, Bernardi D, Pawlikowski E. A general energy-balance for battery systems[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1985, 132(1): 5-12.

Lithium battery thermal management system for hybrid vehicles

,,,

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, Jiangsu, China)

In order to study the temperature characteristics of the power battery pack and maintain its working temperature within the optimal temperature range, a lithium-ion battery is taken as the research object, and a battery thermal management system for the hybrid vehicle is proposed. The air conditioning system and the engine exhaust system are used to regulate the temperature of battery pack. A three-dimensional transient heat generation numerical model of the lithium battery pack was established. The size of the battery pack and the inlet air flow rate were used as input parameters to reduce the maximum temperature rise of the battery pack and improve the temperature uniformity of the battery pack as output parameters, In order to reduce the maximum temperature rise of the battery pack and increase the temperature uniformity, the structure of the battery pack was designed and optimized by using FLUENT simulation software and DesignXplorer module. The optimized temperature rise of the battery pack was 5.39 K lower than that before optimization, and the temperature difference was reduced by 6.41 K. The effects of constant rate discharge and convective heat transfer coefficient on the temperature rise were analyzed. The research shows that the higher the discharge rate, the faster the temperature rise of the battery. The higher the temperature of the battery after the discharge is completed, the heat dissipation effect is obvious when the convective heat transfer coefficient is less than 30 W/(m2·K). By the simulation analysis of the heating or cooling of the battery pack under different conditions, the feasibility of the battery thermal management system was verified.

hybrid vehicle; battery thermal management system; FLUENT; engine exhaust system; air conditioning system

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0129

U 469.72+2

A

2095-4239（2018）06-1146-06

2018-07-29；

2018-08-11。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51005113），江蘇省農(nóng)機(jī)局科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（Gxz10003）。

趙國(guó)柱（1968—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾履茉雌囋偕苿?dòng)技術(shù)及儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理技術(shù)，E-mail：zhaogz@njau.edu.cn。