蜂巢式液冷電池模塊傳熱特性的試驗研究*

馮能蓮，董士康，李德壯，陳龍科，豐 收

（1.北京工業(yè)大學環(huán)境與生命學部，北京 100124； 2.帝亞一維新能源汽車有限公司，寧波 315500）

前言

隨著能源緊缺和環(huán)境污染問題日益突出，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的電動汽車已成為世界汽車工業(yè)技術創(chuàng)新的重要方向和汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。鋰離子電池憑借自身的諸多優(yōu)勢已成為電動汽車市場上主流的動力電源，但鋰離子電池的性能受溫度影響較大，在30～40℃的溫度范圍內(nèi)，電池的工作溫度每增加1℃，電池的壽命將會縮短近兩個月［1］。在車載密封的環(huán)境下，排列緊密的電池組充／放電過程中會產(chǎn)生大量的熱量，若無法及時將這部分熱量排出，會造成電池溫度迅速升高，當溫度達到一定程度后，電池內(nèi)部的電極、SEI膜和電解液等材料會發(fā)生分解，分解產(chǎn)生的氣體使內(nèi)部氣壓急劇上升，造成熱失控現(xiàn)象［2-5］，對車輛安全產(chǎn)生嚴重威脅。為提高電池的安全性和延長使用壽命，必須將電池組的最高溫度和電池組間的最大溫差控制在合適的范圍內(nèi)，一般允許的最高溫度不超過40℃，最大溫差不超過5℃［6-8］。因此，研發(fā)性能優(yōu)良的電池模塊冷卻系統(tǒng)結構，并研究其傳熱特性對于保證電動汽車安全、可靠、高效地運行有著非常重要的意義。

圓柱形鋰離子電池液體冷卻／加熱方式以美國Tesla的扁平微管最具代表性［9-10］，但由于扁平微管與電池的接觸面積有限（最大接觸區(qū)域僅占單體電池圓周的20°［11］），因而，其冷卻效果并不理想。為增加冷卻液與電池的換熱面積，強化換熱效果，研發(fā)了新一代冷卻液360°環(huán)繞的蜂巢式液冷電池模塊。限于篇幅，本文中主要分析研究電池模塊冷卻過程的傳熱特性。

1 試驗對象

蜂巢式液冷電池模塊結構如圖1所示。主要由邊框、多孔板、導流板、支撐筒、進／出水末端、上／下導電板和上／下蓋板（圖中未示出）組成。包裹高導熱— 絕緣硅膠膜的單體電池置于支撐筒內(nèi)，支撐筒外圍空間組成的連通腔充滿冷卻液，形成對電池支撐筒的360°環(huán)繞，這一結構將Tesla的“20°扇形面接觸”冷卻改變?yōu)椤碍h(huán)形面接觸”冷卻，換熱面積顯著增大，增強換熱的同時有利于進一步改善電池模塊的溫度一致性。文獻［9］中為本實驗室前期工作，利用電加熱棒代替電池研究該結構的傳熱特性，與實際電池工作熱特性有所差別。為突出該結構的優(yōu)點，使結果更詳細準確，同時結合實際情況（電動汽車實際行駛過程中電池放電倍率小于1C），通過搭建的試驗平臺研究蜂巢式液冷電池模塊在室溫（25℃）下最大充／放電倍率（0.5C／1C）的傳熱特性和高溫（40℃）下最大放電倍率（1C）的傳熱特性。單體電池和電池模塊的相關技術參數(shù)如表1所示。

圖1 蜂巢式液冷電池模塊結構示意圖

表1 單體電池和電池模塊技術參數(shù)

2 試驗裝置與試驗方法

蜂巢式液冷電池模塊傳熱特性試驗平臺如圖2所示。主要由電池充放電設備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和恒溫恒濕箱等構成。為方便后期研究和分析電池模塊的溫度分布情況，對不同位置的電池進行編號，如圖3所示。試驗的具體步驟如下：

（1）將電池模塊置于恒溫恒濕箱中，并與測試設備做好電氣連接和管路連接，其中熱電偶布置在電池的外壁面靠近正極耳位置；

（2）啟動恒溫恒濕箱，溫度設置為試驗工況指定值，擱置至各單體電池溫度達到試驗溫度；

（3）以0.5C（20 A）恒流充電至25.2 V，然后轉為恒壓充電至電流降為0.02C（0.8 A）或單體電池達到4.2 V時停止充電，在整個充電過程中持續(xù)循環(huán)25±1℃的冷卻液；

圖2 蜂巢式液冷電池模塊傳熱特性試驗平臺

（4）充電完成后擱置2 h；

（5）以1C（40 A）恒流放電至電池模塊的截止電壓16.5 V，或模塊內(nèi)部任何一個并聯(lián)區(qū)域電壓降至2.75 V時停止放電，在整個放電過程中持續(xù)循環(huán)25±1℃的冷卻液；

（6）記錄并保存充／放電過程中各個單體電池的溫度數(shù)據(jù)。

圖3 電池編號

3 試驗結果與分析

3.1 室溫0.5C恒流—恒壓充電

冷卻液不流動情況下，電池模塊的最高溫度和最大溫差變化曲線如圖4所示。由圖4可以得出如下結果。

（1）電池模塊在整個充電過程中，最高溫度與最大溫差的變化趨勢一致，其中恒流充電階段最高溫度和最大溫差隨充電時間的增加而增大，恒壓充電階段最高溫度和最大溫差隨充電時間的增加而減??；這是因為在恒流充電階段電池持續(xù)產(chǎn)生的歐姆熱使電池的產(chǎn)熱量大于散熱量，電池最高溫度和最大溫差隨充電時間持續(xù)增大；在恒壓充電階段充電電流不斷減小，電池產(chǎn)生的歐姆熱不斷降低，此時電池的產(chǎn)熱量小于散熱量，電池最高溫度和最大溫差隨充電時間不斷降低。

（2）恒流充電階段結束時，電池模塊的最高溫度為30.66℃（20＃電池），最低溫度為27.48℃（3＃電池），最大溫差為3.18℃，由于冷卻液不流動，中心部位的電池熱積累高于其他區(qū)域，因此高溫區(qū)域主要位于電池模塊的中心部位。

為研究冷卻液流動對電池模塊溫度一致性的影響，充電過程中開啟冷卻循環(huán)系統(tǒng)，設定冷卻液的流量為0.5 L／min。電池模塊的最高溫度和最大溫差變化曲線如圖5所示。由圖5可以得出如下結果。

圖4 冷卻液不流動時的測試結果

（1）電池模塊在恒壓充電階段（充電末期）的溫度變化規(guī)律與冷卻液不流動的情況相同，在恒流充電階段的溫度變化規(guī)律可分為兩個階段：充電初期和充電中期。充電初期，電池的產(chǎn)熱量始終大于散熱量，電池模塊的最高溫度和最大溫差隨著充電時間的增加不斷增大。充電中期，冷卻液與電池間的換熱不斷增強，電池的產(chǎn)熱量開始小于散熱量，電池模塊的最高溫度和最大溫差隨著充電時間的增加緩慢降低。充電過程中電池模塊的最高溫度為27.5℃，最大溫差為1.76℃。

圖5 0.5 L／min流量下的試驗結果

（2）電池模塊的高溫區(qū)域主要位于出口導流板附近，這是由于在導流板附近的冷卻液不能及時地通過分流孔排出，導致上游電池的高溫冷卻液持續(xù)加熱下游電池，出現(xiàn)局部高溫區(qū)域，但局部高溫區(qū)域面積明顯小于冷卻液不流動的工況。

0.5 C恒流—恒壓充電過程中，在冷卻液不流動和流動兩種工況下，蜂巢式液冷電池模塊均能將電池溫度控制在最佳工作溫度（15～35℃）范圍內(nèi)［12］，并同時滿足電池溫度一致性（最大溫差不超過5℃）的要求。

冷卻液不流動和冷卻液流量為0.5 L／min的充電試驗結果如表2所示。

表2 不同流量下電池模塊充電試驗結果對比

3.2 室溫1C恒流放電

1C倍率恒流放電結束時，不同流量下各個電池的溫度分布情況如圖6所示，電池模塊最高溫度、最大溫差對比情況如表3所示。

表3 不同流量下電池模塊放電試驗結果對比

由圖6和表3可以得出如下結果。

（1）冷卻液不流動時，電池模塊的最高溫度為41.16℃，高于電池最佳工作溫度范圍（15～35℃），最大溫差為7.6℃，高于允許的限值5℃，都不能滿足冷卻需求，因此有必要對電池進行強制冷卻。

（2）冷卻液不流動時，最高溫度出現(xiàn)在模塊中間位置20＃電池周圍，與3.1節(jié)中充電工況相同，原因為冷卻液靜止時，模塊中心熱量累積量最高；冷卻液流動時，當流量為1.0和1.5 L／min時，44＃電池溫度最高，最高溫度區(qū)域向出口側偏移。因為被加熱的冷卻液對出口側的電池冷卻效果減弱，故高溫區(qū)域偏向出口側。當冷卻液流量大于0.5 L／min時，模塊內(nèi)電池最高溫度與最大溫差均可以控制在允許范圍內(nèi)。

圖6 放電結束時不同流量下的溫度分布

（3）電池模塊的最高溫度和最大溫差均隨著冷卻液流量的增加而減小，當冷卻液流量由0增加至1.5 L／min時，最高溫度由41.16降至30.05℃，最大溫差由7.6降至2.48℃；但當冷卻液流量由1.0增加至1.5 L／min，最高溫度僅降低了0.51℃，最大溫差僅降低了0.52℃，此時流量的增加反而增大了阻力損失，因此，應盡可能選取合適的冷卻液流量，在較少泵功耗的條件下實現(xiàn)電池模塊的有效散熱。

不同流量下電池模塊的最大溫差變化曲線如圖7所示。由圖7可以得出如下結果。

（1）冷卻液不流動時，電池模塊的最大溫差幾乎呈線性增加，且40 s后就超出了允許的極限溫差5℃。

（2）不同冷卻液流量下的最大溫差變化趨勢與電池內(nèi)阻變化趨勢相同［13］，即在放電初期和放電末期，由于電池內(nèi)阻較大導致最大溫差在放電初期和末期溫升速率較大，SOC在0.2～0.9范圍內(nèi)電池內(nèi)阻幾乎維持不變，所以在放電中期最大溫差溫升速率較為平緩。

（3）電池模塊最大溫差隨冷卻液流量的變化規(guī)律與最高溫度相似，最大溫差下降幅度對于冷卻液流量的增加存在某一閾值，當冷卻液流量超過這一閾值后，繼續(xù)增加冷卻液流量對于改善電池模塊溫度一致性的效果有限。從這一結果可以看出，不同工況所需要的冷卻液流量不同，這是為什么需要對動力電池進行熱管理的原因之一。

圖7 不同流量下電池模塊最大溫差變化曲線

實際工況下，為延長電池的使用壽命，電池管理系統(tǒng)不允許電池的放電深度達到100%［14］，因此，忽略電池模塊在放電末期的溫升，當冷卻液流量為1.5 L／min時，電池模塊的最大溫差被控制在2℃以內(nèi)。

本文中為研究蜂巢式液冷電池模塊的溫度一致性，每顆單體電池均布置了溫度傳感器，但在實際工程應用中，溫度傳感器僅放置在最具有代表性、溫度變化最敏感、對于電池的安全和性能影響最大的位置。因此上述研究結論可用于指導模塊內(nèi)部溫度傳感器的布置。

3.3 高溫1C恒流放電

40℃高溫環(huán)境下，1C恒流放電過程電池模塊的最高溫度和最大溫差變化曲線如圖8所示。由圖8可以得出如下結果。

圖8 40℃環(huán)境溫度下的試驗結果

（1）最高溫度在放電初期大致呈直線下降趨勢，在放電中期繼續(xù)緩慢下降，并逐漸趨于穩(wěn)定，在放電末期（50-60 min）又稍有回升。當冷卻液流量為1.5 L／min時，放電中期電池模塊的最高溫度維持在33.5℃附近，滿足冷卻需求。

（2）最大溫差在0-6 min呈直線上升趨勢，在6-25 min期間最大溫差隨著放電時間的增加而逐步降低，之后，最大溫差保持在4.0～4.5℃之間波動，不同冷卻液流量最大溫差的差異僅約0.5℃。

（3）高溫條件下，電池模塊1C放電，流量為1.5 L／min時，電池模塊的最高溫度和最大溫差與常溫下冷卻液為0.5 L／min時相近。也就是說高溫條件下需要3倍流量才可以達到常溫條件下的冷卻效果?？梢姴煌r所需的冷卻液流量不同，或者說，對應每一工況都有一個最佳冷卻液流量，這也是為什么需要對動力電池進行熱管理的另一重要原因。

4 結論

（1）蜂巢式液冷電池模塊360°“環(huán)形面接觸”構型強化了冷卻液與電池間的換熱效果，可更高效地保證單體電池和電池模塊在常溫和高溫工況下始終工作在適宜的溫度范圍并滿足溫度一致性的要求，從而維持電池性能、延長電池壽命。

（2）增大冷卻液流量可顯著降低電池模塊的溫度，并改善其溫度一致性，但電池模塊的冷卻能力對于冷卻液流量的增加存在某一閾值，超過這一閾值繼續(xù)增大冷卻液流量對于改善電池模塊溫度一致性的效果有限。因此，電池熱管理系統(tǒng)應盡可能選取合適的冷卻液流量，在較少泵功消耗的條件下實現(xiàn)電池模塊的有效散熱。

（3）電池在不同工況和同一工況不同時期的熱特性是不同的，對應的每一個工況所需的冷卻液流量也不同，因此進行電池熱管理很有必要。

（4）電池模塊在充／放電工況下的高低溫區(qū)域分布規(guī)律相似，高溫區(qū)域位于出口導流板的中間位置，低溫區(qū)域位于進口導流板的中間位置，電池的溫度從冷卻液的進口端到出口端呈遞增趨勢。上述結論可用于指導模塊內(nèi)部溫度傳感器的布置。

（5）所用試驗方法和所得結論對其他類型或結構的液冷電池模塊的傳熱特性研究和工程應用具有一定的參考價值。