電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池模組冷卻溫度均勻性研究

李 維，曲來(lái)濤， 張 冰，鐘民洋，巨軍成，黃棟杰

(1.西安航空學(xué)院 車(chē)輛工程學(xué)院，西安 710077；2.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；3.河南速達(dá)電動(dòng)汽車(chē)科技有限公司 項(xiàng)目部，河南 三門(mén)峽 472000；4.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司廣州職工培訓(xùn)基地 培訓(xùn)科，廣州 510800)

由于全球氣候變暖，大氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，世界各國(guó)都在積極響應(yīng)節(jié)能減排的號(hào)召，于是電動(dòng)汽車(chē)在全球的銷(xiāo)量越來(lái)越好，我國(guó)新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅猛，但是電動(dòng)汽車(chē)中的電池還存在著一個(gè)很大的安全隱患，即電池“熱失控”。在新聞中常常報(bào)道電動(dòng)汽車(chē)電池過(guò)熱甚至爆炸的事件。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池模組在使用過(guò)程中的過(guò)熱現(xiàn)象，最好的解決辦法不是降低充放電電流，而是對(duì)電池進(jìn)行有效的冷卻。由于動(dòng)力電池在正負(fù)極之間的溫度存在著一定的溫差，如果能對(duì)電池實(shí)現(xiàn)均勻的降溫則會(huì)顯著提地高電池的安全性，本研究旨在設(shè)計(jì)電池外部冷卻管路。

電池系統(tǒng)是新能源汽車(chē)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣是影響新能源汽車(chē)實(shí)現(xiàn)續(xù)駛里程距離突破的關(guān)鍵因素。電池對(duì)溫度十分敏感，電池在合適的溫度范圍內(nèi)工作才能穩(wěn)定，發(fā)揮較好的性能。溫度過(guò)高會(huì)使電池的容量及放電性能下降，更嚴(yán)重的會(huì)使電池產(chǎn)生熱失控，對(duì)汽車(chē)行駛安全性造成嚴(yán)重威脅。為動(dòng)力電池設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的散熱性能，這在提高電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性和行駛安全性方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2018年，ZHU X F和ZHAO C等發(fā)表了有關(guān)鋰電池溫升變化的學(xué)術(shù)論文，研究了防止熱失控對(duì)確保電池安全運(yùn)行的重要性[1]。2018年，RAO Z H等研究發(fā)現(xiàn)熱失控是由于電池內(nèi)部在高溫下自我維持的反應(yīng)，從而導(dǎo)致災(zāi)難性故障[2]。2019年，ABADA S等人通過(guò)使用加速速率評(píng)估了袋型LIB電池的熱失控量熱法(ARC)[3]。2018年，MAYYAS A R等人描述電化學(xué)電池事件通常被稱(chēng)為“熱失控”，在該事件中，電池發(fā)熱并造成被破壞或嚴(yán)重?fù)p壞，從而損壞了電池的周?chē)h(huán)境，該研究有助于找到熱失控及其在電化學(xué)系統(tǒng)中的傳播和安全處理的解決方案，此外，他們還討論了電池安全管理系統(tǒng)在防止熱失控中的關(guān)鍵作用[4]。2016年，WU F 等人提出隨著電動(dòng)汽車(chē)(EV)的發(fā)展，電池?zé)峁芾?BTM)對(duì)于保持電池溫度變得極為重要[5]。2016年，YANG X H等人提出了電池?zé)峁芾恚绕涫请妱?dòng)汽車(chē)(EV)電池組的冷卻對(duì)于保證電池性能以及電動(dòng)汽車(chē)的安全性和高效工作都具有重要意義[6]。2015年，ZHAO J T等人為了將最大溫度和局部溫差保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，提出了一種基于微通道液冷缸的新型圓柱電池冷卻方法[7]。2016年，CHEN D F等人為電動(dòng)汽車(chē)(EDV)的鋰離子(Li-ion)電池組選擇合適的冷卻方法，并制定了最佳的冷卻控制策略[8]。

1 電池模組及冷卻水板的三維建模

本研究選擇CATIA軟件建立電池模組及冷卻水板模型。電池模組模塊包括了15個(gè)電池單體。冷卻水板模塊包括了上擋板、上水道、下?lián)醢?、下水道。將冷卻水板和電池模組緊密貼合實(shí)現(xiàn)對(duì)電池模組的降溫功能。電池單體和電池模組參數(shù)表如表1所示。

表1 電池單體和電池模組參數(shù)表

1.1 電池單體及電池模組的建模

使用建模軟件CATIA V20，在XZ平面畫(huà)出長(zhǎng)65 mm、寬131 mm的輪廓，定義凸臺(tái)高度16 mm，生成電芯。然后，建立電池的正負(fù)極，首先畫(huà)出半徑4 mm的圓形輪廓，然后定義凸臺(tái)高度6 mm，之后使用偏移功能沿X軸正向偏移20 mm生成正極，使用偏移功能沿X軸負(fù)方向偏移20 mm生成電池負(fù)極。將電芯、正負(fù)極逐個(gè)導(dǎo)出，然后使用零件裝配功能將電芯和電池正負(fù)極裝配，生成如圖1所示的單體電池。

圖1 單體電池

圖2 電池模組

電池模組由15塊單體電池組成，可以使用軸向偏移功能生成電池模組。將生成的電芯和電池正負(fù)極進(jìn)行裝配，生成如圖2所示的電池模組。

1.2 冷卻水板的建模

冷卻水板包括水道模塊和擋板模塊兩部分。在CATIA中，冷卻板的蛇形水道很難采用“挖孔” 方式進(jìn)行創(chuàng)建，所以本文使用“凹槽”方式創(chuàng)建了冷卻水道，然后在水道上表面緊密貼合擋板，最終實(shí)現(xiàn)了蛇形冷卻板的建模，其中，水道模塊的建模是整個(gè)電池冷卻模塊的重點(diǎn)。首先使用零件設(shè)計(jì)功能建立長(zhǎng)240 mm、寬131 mm、厚10 mm的長(zhǎng)方體，然后在該長(zhǎng)方體的YZ面上創(chuàng)建水道輪廓。為保證水道的順利生成，輪廓曲線必須是全封閉的，所以用一條曲線首尾相連，最后，使用凹槽功能創(chuàng)建深度為6 mm的水道，冷卻水道如圖3所示。

圖3冷卻水道

2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對(duì)于建立有限元模型有著及其重要的作用，建立正確合理的有限元模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確性和計(jì)算時(shí)間有著很大的影響，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)需要選擇合理的劃分方法。ANSYS Workbench平臺(tái)下的Mesh模塊通過(guò)網(wǎng)格劃分工具針對(duì)不同的物理場(chǎng)和具體的幾何結(jié)構(gòu)有著不同的劃分方法，可以進(jìn)行2D和3D模型的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是為了將求解域分離成數(shù)量合適的離散單位，便于得到較為精確的結(jié)果。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

3 Fluent仿真計(jì)算

對(duì)Fluent中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為了方便讀數(shù)，將溫度設(shè)置為攝氏度，然后激活能量方程。材料選項(xiàng)欄中，流體默認(rèn)材料為空氣，固體默認(rèn)材料為鋁，需要對(duì)材料重新設(shè)置和添加材料，在Fluent中將液體材料定義為水。同理，在固體材料欄中添加鋼。之后，在Cell Zone Conditions中將電池表面材料選為鋁，水箱材料選為鋼。材料設(shè)置完成后，進(jìn)行電池溫度設(shè)置。參考實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)將電池內(nèi)部、邊緣溫度分別設(shè)置為50 ℃、48 ℃、45 ℃，熱交換率設(shè)置為20。將入水口水流速度設(shè)置為0.1 m/s，冷卻水的溫度設(shè)置為常溫。流速矢量云圖如圖5所示，由圖5中可見(jiàn)，水道中心區(qū)域的水流速度基本不變；由于貼近管壁，管壁的摩擦造成了水速的下降；在管道的急轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)，由于流體的相互擠壓造成水速的提高；過(guò)急轉(zhuǎn)彎后，被擠壓后的流體回到非擠壓的稀疏狀態(tài)，從而流速明顯下降。對(duì)溫度云圖進(jìn)行填充，可以觀看更具體的變化。溫度云圖如圖6所示，當(dāng)水流速度為5 m/s時(shí)，管道中水流溫度介于26.8 ℃和28.6 ℃之間，溫差為1.8 ℃，該電池模組在未冷卻前的溫差為5 ℃，經(jīng)冷卻后溫差明顯降低，溫度均勻性已明顯變好。

圖5 流速矢量云圖

圖6 溫度云圖

4 水流速度優(yōu)化

本文優(yōu)化中主要針對(duì)水流速度進(jìn)行優(yōu)化，在不同水流速度下，計(jì)算分析流速矢量云圖和溫度云圖。分為四組進(jìn)行分析比較，優(yōu)化方法如表2所示。

表2 優(yōu)化方法

在ANSYS中設(shè)定邊界條件，計(jì)算分析得到當(dāng)前速度下的管內(nèi)冷卻水的流速矢量云圖和溫度云圖，分別如圖7、圖8所示。

由圖7可見(jiàn)，水道中心區(qū)域的水流速度始終保持在5 m/s左右；在貼近管壁的區(qū)域，由于管壁的摩擦，水速下降；在管道的急轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)，由于流體的相互擠壓造成水速提高；過(guò)急轉(zhuǎn)彎后，被擠壓后的流體回到非擠壓的稀疏狀態(tài)，從而流速明顯下降。由溫度云圖8可見(jiàn)，當(dāng)水流速度為5 m/s時(shí)，管道中水流溫度介于26.8 ℃和27.5 ℃之間，溫差為0.7 ℃。當(dāng)水流速度為1 m/s時(shí)，管道中水流溫度介于26.8 ℃和28.2 ℃之間，溫差為1.4 ℃；當(dāng)水流速度為0.5 m/s時(shí)，管道中水流溫度介于26.8 ℃和28.6 ℃之間，溫差為1.8 ℃；當(dāng)水流速度為0.05 m/s時(shí)，管道中水流溫度介于26.8 ℃和29.7 ℃之間，溫差為2.9 ℃。該電池模組在未冷卻前的溫差為5 ℃，經(jīng)冷卻后溫差明顯降低，溫度均勻性明顯變好。對(duì)比方案一、二、三、四可見(jiàn)，水流速度越快，溫差越小，均勻性越好。

b 水流速度1 m/s

c 水流速度0.5 m/s

d 水流速度0.05 m/s

a 水流速度5 m/s條件下的溫度云圖

b 水流速度1 m/s條件下的溫度云圖

c 水流速度0.5 m/s條件下的溫度云圖

d 水流速度0.05 m/s條件下的溫度云圖

5 管道分布優(yōu)化

結(jié)合上文的分析結(jié)果，當(dāng)管道均勻分布時(shí)，冷卻管道內(nèi)的水流由于吸熱，溫度不斷升高，造成電池模組靠近出水口區(qū)域的冷卻效果不理想。要使電池模組達(dá)到均勻冷卻的效果，需要對(duì)冷卻管道的布置進(jìn)行優(yōu)化。采用的方式是通過(guò)調(diào)整冷卻水道的間距以達(dá)到冷卻效果更均勻。縮小冷卻水道后半?yún)^(qū)域的間距，實(shí)現(xiàn)在后半?yún)^(qū)域水管的密集分布，以提高后半?yún)^(qū)域的熱量傳遞。利用CATIA軟件重新建立的水道模型，冷卻水道如圖9所示。

圖9冷卻水道

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)調(diào)整后的冷卻水道進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果以溫度云圖和流速矢量云圖的形式顯示，最終選擇S型的冷卻板水道、選擇冷卻液的流動(dòng)速度為0.5 m/s，其冷卻效果較為理想，電池模組溫差為0.16 ℃，其溫度云圖如圖10所示，流速矢量云圖如圖11所示。

圖10 溫度云圖

圖11 流速矢量云圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鋰電池內(nèi)部的生熱現(xiàn)象，對(duì)電池模組的流體冷卻方面開(kāi)展了仿真分析。研究了在不同的水流速度、不同的管道形狀下的冷卻效果，然后參考國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池模組冷卻板進(jìn)行優(yōu)化，得到有利于電池冷卻的冷卻液流動(dòng)速度和冷卻板的流道模型。研究發(fā)現(xiàn)，冷卻板內(nèi)冷卻水管的由疏到密間距分布形式有助于提升電池模組冷卻后的均勻性。