一種基于熱力學(xué)理論的車載鋰電池組水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 田 浩

中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院 潘垂宇

中國移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司 張 群△

0 引言

近年來，隨著新能源汽車的快速普及和性能的提升，鋰電池組功率密度不斷提高，電池發(fā)熱對電池組性能的影響及鋰電池充放電過程的熱安全性越來越受到重視[1]。研究表明，在相同的充放電倍率下，鋰電池內(nèi)部溫度均勻性越高，其整體動(dòng)力輸出性能越好[2-3]。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷式散熱相比，水冷散熱效果更好，熱安全性更高，特別是對鋰電池包內(nèi)部各單體電池溫度均勻性的控制效果遠(yuǎn)好于風(fēng)冷。近年來世界各大新能源汽車企業(yè)都投入巨資改善鋰電池液冷技術(shù)[4]，一方面降低充放電過程的過熱風(fēng)險(xiǎn)，另一方面提高電池組內(nèi)部溫度均勻性，從而提升整車動(dòng)力性能。

在現(xiàn)有的電池液冷技術(shù)中，水冷具有成本低、熱容量大、可控性好、安全性高等優(yōu)勢，是未來主流的鋰電池高效冷卻方式[5]，因此，對鋰電池組水冷架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱力學(xué)分析和優(yōu)化，具有實(shí)用性和應(yīng)用前景。

1 鋰電池組水冷布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化

目前，市場上單體鋰電池包集成后的車載鋰電池組如圖1所示。由于內(nèi)部包含許多傳感器和線路、管路，加上整車安裝空間的限制，鋰電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分緊湊，導(dǎo)致其在充放電過程中產(chǎn)生的熱量容易在內(nèi)部聚集。因此，有必要優(yōu)化鋰電池組冷卻架構(gòu)(水冷布局)，在相同的充放電條件和冷媒流量下，使管路結(jié)構(gòu)冷卻效果最好。

圖1 鋰電池結(jié)構(gòu)圖

目前國際上較主流的鋰電池組冷卻架構(gòu)研究方向包括：

1) 優(yōu)化管路形狀和布局，強(qiáng)化管路內(nèi)部冷媒流動(dòng)與傳熱性能。例如，用交錯(cuò)排列的單元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)增強(qiáng)流體的擾動(dòng)[6]；選用多孔介質(zhì)增加接觸換熱面積[7]；優(yōu)化風(fēng)道尺寸和形狀，設(shè)計(jì)不規(guī)則形狀的微流體通道，修正空氣的流動(dòng)邊界層，強(qiáng)化換熱效果[8-9]；在鋰電池封裝材料中摻入高熱容性材料，以降低汽車行駛過程中急速放電行為對電池的熱應(yīng)力沖擊[10]；等。

2) 建立鋰電池的熱-電耦合模型，從電化學(xué)產(chǎn)熱機(jī)理層面提出更高效、更經(jīng)濟(jì)的散熱方式。例如，通過對不同電極材料在不同環(huán)境下放電性能和產(chǎn)熱特性的聯(lián)合測試，建立新的鋰電池電極熱分布模型，預(yù)測鋰電池在不同放電狀態(tài)下的產(chǎn)熱密度分布[11-13]；通過建立等效電路模型實(shí)現(xiàn)對鋰電池?zé)峁芾磉^程中SOC(荷電狀態(tài)，表征電池剩余容量)和續(xù)航能力的預(yù)測[14]；用單粒子模型模擬鋰電池電極的產(chǎn)熱行為特征[15-16]；將不同熱動(dòng)力學(xué)特性的多孔介質(zhì)模型融入電化學(xué)模型中，優(yōu)化電極熱流密度分布，從而提高鋰電池的放電熱均衡特性[17]；等。

3) 添加新型材料，改變鋰電池包的熱響應(yīng)特性。例如，利用輔助相變材料(PCM)和金屬膜材料，改善鋰電池在不均衡熱沖擊下的峰值溫度分布，提高鋰電池在復(fù)雜使用環(huán)境下的溫度均衡能力[18-19]；通過引入鋁基多孔金屬膜，改善鋰電池在特定溫度區(qū)間內(nèi)的相變蓄熱特性，提高鋰電池在某些極端低溫或高溫應(yīng)用場景下的熱耐受能力，延長使用壽命[20]；利用環(huán)路熱管極強(qiáng)的相變傳熱能力，設(shè)計(jì)一組特殊結(jié)構(gòu)的微型熱管，并優(yōu)化其布局，在不同的放電熱流分布條件下實(shí)現(xiàn)對鋰電池包的快速溫度均衡[21]；利用鋰電池電化學(xué)產(chǎn)熱機(jī)理，用添加了方向性導(dǎo)熱能力更強(qiáng)的特種磁性材料的液體，進(jìn)行微流量、高效散熱設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[22]；等。

上述研究方法在特定的鋰電池結(jié)構(gòu)和使用場景下，針對鋰電池傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型材料選擇、新型產(chǎn)熱模型構(gòu)建等方面取得了突破，并在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測試中獲得了成功，但其成果大多停留在理論建?；蛘邔?shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)層面，在工程領(lǐng)域的可復(fù)制性和可推廣性相對較弱。從分析方法上看，目前的研究普遍采用針對特定問題提出特定解決方案，再用實(shí)驗(yàn)觀察和場景測試作為方案驗(yàn)證和修訂的手段[23-25]，相對來說，缺少一種普適性的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。

2 鋰電池組散熱過程模型

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中h為對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；T為主板表面溫度，K；To為冷卻水出口溫度，K；v為管路中冷卻水流速，m/s。

(5)

圖2 單體鋰電池在不同冷卻水進(jìn)口溫度下?lián)p失分布

圖3 熱力學(xué)優(yōu)值工況

3 水冷架構(gòu)及工況設(shè)計(jì)

圖4 車載鋰電池組水冷布局設(shè)計(jì)

目前，國際上較常用的鋰電池組水冷布局為圖4a和4b 2種，如特斯拉MODEL和寶馬i3。但根據(jù)汽車廠商實(shí)測結(jié)果，圖4a、b架構(gòu)中間區(qū)域的電池包(編號10～15)因熱量積累易發(fā)生過熱現(xiàn)象，影響電流、電壓的一致性，降低電池組整體充放電性能。圖4c、d架構(gòu)是在圖4a、b基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，在增加有限的水系統(tǒng)外包絡(luò)尺寸，少量的加工、裝調(diào)成本及基本不改變水壓分布的前提下，從熱力學(xué)角度進(jìn)一步優(yōu)化中心區(qū)域鋰電池包的溫度均勻性和熱力學(xué)平衡溫度，可達(dá)到更好的控溫效果，有效提升鋰電池的充放電性能和汽車?yán)m(xù)航里程，在工程上是可以接受的[11-12]。

表1 鋰電池包基本信息

表2 鋰電池水冷測試條件

圖5 18650鋰電池產(chǎn)品圖

圖6 鋰電池包水冷系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)物圖

電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所需要的電流值，在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常以字母C表示。1C表示1 h完全放電時(shí)的電流強(qiáng)度。如標(biāo)稱為2 200 mA·h的18650鋰電池在1C強(qiáng)度下1 h放電完成，此時(shí)該放電電流為2 200 mA。

電池充放電過程使用如圖7所示的車載鋰電池組動(dòng)力集成測試和分析平臺，對充放電過程的電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄和分析，該平臺具備高度的自動(dòng)化、集成化和智能分析功能，結(jié)合圖6的水冷架構(gòu)平臺，對圖4設(shè)計(jì)的4種冷卻布局進(jìn)行逐一測試分析。

圖7 車載鋰電池組動(dòng)力集成測試分析平臺

4 結(jié)果分析

根據(jù)集成測試平臺給出的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，圖8給出了18650型單體鋰電池在1C(3 A持續(xù)3 600 s，300 K)和3C(9 A持續(xù)1 200 s，300 K)標(biāo)準(zhǔn)放電條件下的放電過程電壓擬合曲線。

圖8 1C和3C標(biāo)準(zhǔn)放電過程電壓擬合曲線

圖9 鋰電池水冷過程歸一化損失分析

表3 鋰電池組最優(yōu)熱力學(xué)性能(3C、300 K)

表4 鋰電池組最優(yōu)熱力學(xué)性能(1C、300 K)

5 結(jié)論與展望