電動汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)溫控性能研究

丁毅，孫梓健

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

面對環(huán)境污染、能源危機(jī)的挑戰(zhàn)，新能源汽車迎來了重要發(fā)展期。發(fā)展電動汽車，關(guān)鍵在于動力電池。目前，鋰離子動力電池因其具有比能量大、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已在車用電池領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[1]。但電動汽車在實(shí)際行駛過程中，動力電池會產(chǎn)生較大的熱量，如果散熱條件惡劣，熱量便會迅速堆積，加速電池內(nèi)部有害化學(xué)反應(yīng)速率，增大電池容量的衰減，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致燃燒、爆炸等安全事故[2]。

目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括采用空氣介質(zhì)、液體介質(zhì)和采用相變材料介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)[3]。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，采用空氣介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的熱管理需求[4]，采用相變材料介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)由于成本過高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因使用較少[5-7]，采用液體介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)受到越來越多廠商的青睞[8-10]。國內(nèi)外針對基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能進(jìn)行了大量研究，徐曉明等[11]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電池組采用基于兩進(jìn)兩出流道液冷方式的散熱特性，結(jié)果表明，冷板液冷方式能很好地滿足散熱要求。雪佛蘭Volt電動車在底特律舉辦的北美國際汽車展上大方光彩，其鋰離子電池組容量達(dá)到16 kW·h，所采用的鑲嵌式液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)精良，實(shí)際使用說明此液冷系統(tǒng)散熱性能良好[12]。上述研究表明，目前的研究大多集中于電池冷卻，而對電池低溫加熱這一重要問題研究較少，嚴(yán)寒條件下電動汽車啟動是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)不可避免的一個(gè)問題，有必要進(jìn)行相關(guān)的研究。

本文針對某商用112.5 Ah三元鋰電池所組成的電池模組，采用國內(nèi)常用的基于液體介質(zhì)的電動汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，研究了冷卻、加熱兩種工況下電池模組的溫度分布，為以后熱管理系統(tǒng)優(yōu)化提供一些參考。

1 計(jì)算模型及方法

1.1 方案簡介

目前市面上越來越多的電動汽車采用基于液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，本文采用電動汽車上較為常見的口琴管熱管理方案。在電動汽車正常行駛過程中，電池產(chǎn)生的熱量傳遞至上、下表面口琴管內(nèi)部液體介質(zhì)，在泵的驅(qū)動下，液體介質(zhì)流入換熱器中與冷媒進(jìn)行換熱，經(jīng)過換熱的低溫液體介質(zhì)再次流經(jīng)口琴管，如此循環(huán)以達(dá)到電池始終處在理想溫度范圍內(nèi)工作的目的。依據(jù)汽車實(shí)際情況，冷媒主要采用沖壓空氣及空調(diào)冷卻液。在電池處于低溫狀態(tài)時(shí)，由車內(nèi)加熱裝置對液體介質(zhì)加熱，高溫液體通過口琴管對電池預(yù)熱，在泵的驅(qū)動下，液體循環(huán)流動對電池進(jìn)行持續(xù)加熱。

1.2 傳熱模型

電池與環(huán)境之間傳熱過程主要包括熱傳導(dǎo)、對流換熱、熱輻射。熱傳導(dǎo)是物體之間不發(fā)生相對位移，僅依靠微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱能傳遞，對流換熱是流體流經(jīng)固體表面時(shí)，流體與物體表面間的熱量傳遞過程，電池通過熱輻射傳遞的熱量很小，可忽略不計(jì)。

三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為

(1)

對流換熱邊界條件方程為

(2)

其中：λ、h、T、T分別為物體導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)、壁面溫度、流體介質(zhì)溫度；為溫度梯度。

1.3 物理模型

本文采用的物理模型如圖1所示。整個(gè)模型主要由液冷系統(tǒng)和電池模組兩部分組成，液冷系統(tǒng)主要包括主管道以及口琴管。電池模組上方布置2排口琴管，下方布置4排口琴管，電池模組由2塊電池并聯(lián)為1組，10組串聯(lián)組成，每組之間布置隔熱墊，共8個(gè)電池模組?？谇俟芘c電池模組之間布置導(dǎo)熱硅膠以及導(dǎo)熱硅膠墊。本文采用的主管道直徑為14 mm，采用市面常見口琴管，寬45 mm，高4 mm，內(nèi)部具有10條流道，每條流道尺寸為3.95×3 mm，模組上、下表面布置的導(dǎo)熱硅膠以及導(dǎo)熱硅膠墊厚度分別為2.75 mm、1.5 mm。從模組取3個(gè)點(diǎn)，其中b點(diǎn)為側(cè)面的正中心點(diǎn)，a點(diǎn)為b點(diǎn)與電池上邊界二等分點(diǎn)，c點(diǎn)為b點(diǎn)與電池下邊界二等分點(diǎn)。以這3點(diǎn)對模組進(jìn)行截線來對比電池間的溫差。

圖1 物理模型示意圖

1.4 邊界條件

冷卻工況下，電池模組進(jìn)行1C放電，初始溫度設(shè)置為36 ℃，環(huán)境溫度設(shè)置并一直保持在36 ℃，液冷系統(tǒng)工質(zhì)采用50%乙二醇水溶液，進(jìn)口流量為12 L/min，進(jìn)口溫度為25 ℃，出口邊界類型設(shè)置為壓力出口。電池模組、液冷系統(tǒng)與外界環(huán)境接觸表面均設(shè)置為絕熱壁面。加熱工況下，電池模組初始溫度設(shè)置為-30 ℃，環(huán)境溫度設(shè)置并一直保持在-30 ℃，液冷系統(tǒng)工質(zhì)采用50%乙二醇水溶液，進(jìn)口流量為12 L/min，進(jìn)口溫度為30 ℃，出口邊界類型設(shè)置為壓力出口。電池模組、液冷系統(tǒng)與外界環(huán)境接觸表面均設(shè)置為絕熱壁面。

1.5 物性參數(shù)

本文所采用的電池參數(shù)均為天津某公司提供，如表1所示。

表1 電池基本參數(shù)

液冷系統(tǒng)工質(zhì)采用50%乙二醇水溶液，其各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

表2 50%乙二醇水溶液基本參數(shù)

每組電池之間布置的隔熱墊材料為氣凝膠，相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 氣凝膠基本參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 冷卻工況

整套熱管理系統(tǒng)采用對稱設(shè)計(jì)，同時(shí)由于首尾兩個(gè)模組冷卻流道中流速差別最大，溫差也最大，所以只需對比這兩個(gè)模組溫度分布即可。

圖2表示1號模組1C放電2 100 s后電池溫度分布云圖及最高溫度隨時(shí)間變化圖。從圖2可知，隨著放電時(shí)間的增加，電池的溫度逐漸升高，電池?zé)崃恐饕性谥行奈恢?，溫度最高。這主要是因?yàn)闊峁芾硐到y(tǒng)僅布置在電池模組上、下兩側(cè)，電池中心位置的熱量不能及時(shí)傳遞出去。2 100 s后整個(gè)模組最高溫度為49.9 ℃，最低溫度為41.9 ℃。對于電動汽車電池模組，電池之間的均溫性是其壽命、安全的重要影響因素，為了探究單體電池之間的溫差，對模組進(jìn)行截線。

圖2 1號模組溫度分布及最高溫度變化圖

圖3表示1C放電2 100 s后3條截線上電池的溫度分布圖。從圖3分析可知，截線a、b、c中電池之間的最大溫差分別為0.42 ℃、0.45 ℃、0.67 ℃，均<2 ℃，說明該液冷系統(tǒng)有助于滿足模組內(nèi)單體電池溫度均勻性的要求。

圖3 截線a、b、c溫度分布圖

圖4表示4號模組1C放電2 100 s后電池溫度分布云圖及最高溫度隨時(shí)間變化圖。從圖4可知，此時(shí)整個(gè)模組最高溫度為50.3 ℃，最低溫度為42.1 ℃，較1號模組有所增大。主要是由于冷卻工質(zhì)進(jìn)入4號模組流速有所下降，同時(shí)流入溫度也會有所提升，同樣截線來對比電池溫差。

圖4 4號模組溫度分布及最高溫度變化圖

4號模組1C放電2 100 s后3條截線上電池的溫度分布如圖5所示。截線a、b、c中電池之間的最大溫差分別為0.6 ℃、0.7 ℃、1.1 ℃，均<2 ℃。通過對比1號、4號模組3條截線上電池的溫度，最大溫差為1.15 ℃，同樣<2 ℃，說明該液冷系統(tǒng)有助于滿足模組間單體電池溫度均勻性的要求。

圖5 截線a、b、c溫度分布圖

2.2 加熱工況

1號模組在系統(tǒng)加熱120 min后電池溫度分布及最低溫度隨時(shí)間變化如圖6所示。從圖6可知，溫度隨著電池上、下兩側(cè)向內(nèi)逐漸降低和加熱時(shí)間的推移，模組的低溫區(qū)域主要集中在中心及上方兩側(cè)，原因在于熱量是通過模組上、下兩側(cè)的工質(zhì)向內(nèi)部傳遞的，同時(shí)模組上方僅布置兩排口琴管，熱量不能及時(shí)傳遞至兩側(cè)。120 min后模組的最高溫度為22.2 ℃，最低溫度為17.7 ℃，此時(shí)仍未到達(dá)電池最佳工作溫度，說明該系統(tǒng)對于模組的低溫啟動耗時(shí)較多，不能快速使之處于最佳工作溫度范圍，仍需優(yōu)化。

圖6 模組溫度分布及最低溫度變化圖

3 結(jié)語

本文針對某商用112.5 Ah三元鋰電池所組成的電池模組，采用國內(nèi)常用的基于液體介質(zhì)的電動汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，研究了冷卻、加熱兩種工況下電池模組的溫度分布。結(jié)果表明：在冷卻工況下，該型熱管理系統(tǒng)有助于滿足模組內(nèi)及模組間單體電池溫度均勻性的要求。在加熱工況下，該系統(tǒng)不能快速加熱電池使之處于最佳工作溫度范圍，仍需優(yōu)化。