新能源汽車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)熱性能優(yōu)化控制策略

鄒艷紅

（云南國土資源職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650000）

當(dāng)代交通事業(yè)發(fā)展速度越來越快，汽車數(shù)量越來越多，既往汽車行駛動力主要來自石油等燃料的燃燒，但是應(yīng)用石油一類的燃料，不僅成本較高，且能夠?qū)е聡?yán)重的環(huán)境污染，所以當(dāng)前純電動的新能源汽車已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注。在新能源汽車當(dāng)中，鋰電池能夠體現(xiàn)出成本低和無污染的優(yōu)勢，但是其中安全性能不夠理想，所以需要對其中的電池組進(jìn)行合理優(yōu)化，使其中的熱管理系統(tǒng)熱性能不斷改善，從而提升新能源汽車鋰電池的使用效果和使用壽命。由此可見，針對新能源汽車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)熱性能優(yōu)化控制策略進(jìn)行探究具有重要意義。

1 進(jìn)行新能源汽車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)熱性能優(yōu)化的意義

雖然新能源汽車使用鋰電池能夠體現(xiàn)出更加良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，但是鋰電池的安全性能相對較差，所以有必要對其中的電池問題進(jìn)行有效解決。對于純電動汽車來說，其中必須應(yīng)用的電池組為數(shù)個電池模塊共同組成，電池模塊則為數(shù)個單體電池進(jìn)行并聯(lián)或是串聯(lián)而形成。對于電動汽車來說，因?yàn)榭臻g密閉，所以熱量能夠不斷積聚，且降溫效果較差，單體電池的使用性能也就能夠在此環(huán)境中受到不良影響。并且，如果單體電池還需持續(xù)處于放電狀態(tài)，其中的溫度以及熱量則能夠出現(xiàn)分布不均的情況，進(jìn)而極易導(dǎo)致電池模塊出現(xiàn)性能、容量的退化，甚至有可能引起爆炸，不僅導(dǎo)致電動汽車自身的使用效果及壽命受到影響，更是有可能威脅相關(guān)人員的生命安全。

根據(jù)相關(guān)研究顯示，電池化學(xué)反應(yīng)速率能夠受到環(huán)境溫度的影響，環(huán)境溫度每提高10℃，電池電化學(xué)反應(yīng)速率均能夠成倍增加，例如鎳氫電池在45℃的環(huán)境之中持續(xù)開展工作，其循環(huán)壽命能夠縮減至原本的40%左右，并且過高的環(huán)境溫度能夠?qū)е码姵貎?nèi)部出現(xiàn)活性轉(zhuǎn)為惰性的情況，同時電阻值上升，也就能夠?qū)е码姵氐碾娙萘肯陆担瑫r功率大幅度下降。由此可見，針對新能源汽車鋰電池的溫度進(jìn)行合理控制，使其能夠得到合理的冷卻處理十分重要。

2 模型與方法

2.1 構(gòu)建電池組及冷卻結(jié)構(gòu)計算模型

在新能源汽車鋰電池的冷卻系統(tǒng)之中，熱量首先出現(xiàn)于電池的位置，之后能夠向冷卻扁管位置進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在由扁管中流動的冷卻液將熱量帶走。在對邊界條件進(jìn)行選擇以及進(jìn)行初始化時，冷卻液的入口速度即為入口邊界條件，冷卻液的出口壓力則為出口邊界條件，流體和固體的耦合界面，屬于非滑移移動界面，進(jìn)行熱傳遞的過程即屬于自然對流?；诖?，在環(huán)境溫度處于25℃的狀態(tài)之下，可以采用要松弛法以及有限體積法對離散模型進(jìn)行求解。在此過程中，為了保障結(jié)果準(zhǔn)確，還需要應(yīng)用二階迎風(fēng)格式，并且迭代精度的主要影響因素為相鄰兩次計算之間的結(jié)果差異，若兩次計算結(jié)果之間不具有差異性，則該算法精度較高，但是在實(shí)際開展測試工作的過程中，并不能實(shí)現(xiàn)該精度，所以還需以殘差值為基礎(chǔ)，對算法收斂性進(jìn)行合理判斷，并在允許的范圍內(nèi)盡可能提升計算結(jié)果的精確度。

2.2 鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計

對于新能源汽車來說，雖然相對于空氣冷卻系統(tǒng)，流體冷卻結(jié)構(gòu)的形式更加復(fù)雜，但是應(yīng)用效果也更好，所以可以選擇在該冷卻系統(tǒng)之中附加一加熱裝置，以避免低溫環(huán)境下，鋰電池的使用性能受到不良影響。在對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，液體材料為其中主要的冷卻介質(zhì)，其與熱源進(jìn)行直接接觸或者間接接觸，均能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的散熱。一般來說，可以選擇將電池模塊置于絕緣性能良好的液體中促使電池冷卻，或是在電池周圍放置冷卻夾板，但是為了保障安全性，應(yīng)主要采用放置冷卻夾板的形式，針對電池組的頂部放置冷卻扁平管，加速電池組在工作過程中的熱量流失，也就有利于保障電池組的冷卻效果。

2.3 鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化

為了促使新能源汽車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的使用效果得到持續(xù)優(yōu)化，首先應(yīng)該對其中的電池冷卻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行確認(rèn)，并以實(shí)際情況為基礎(chǔ)，合理設(shè)計優(yōu)化方案：方案一，將微通道冷板放置于電池側(cè)壁；方案二，在電池的底部以及側(cè)壁放置微通道冷板。

3 研究結(jié)果

3.1 鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果試驗(yàn)

借助Fluent 軟件開展鋰電池三維模型仿真計算工作，其中的熱管理系統(tǒng)參數(shù)如下表1 所示。隨著冷卻系統(tǒng)應(yīng)用時間的延長，鋰電池的散熱效果能夠持續(xù)處于較好的狀態(tài)，可見鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果良好。

表1 熱管理系統(tǒng)參數(shù)

鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化方案主要包括三個，分別是初始設(shè)計方案以及方案一、方案二，在初始設(shè)計方案之中，電池溫度上升速度最快，且峰值最高，能夠達(dá)到約35℃，在方案一中，最高溫度能夠達(dá)到27℃左右，方案二的最高溫度則為25℃左右。并且，在方案一、方案二之中，隨著電池組放電時間的持續(xù)延長，二者均出現(xiàn)了溫度先上升后下降的情況，兩個方案在使用之初的1h 之內(nèi)，電池組溫度均顯著上升，并在第1 小時到第4 小時時，兩個方案的溫度均顯著下降，且方案二溫度下降速度更快，在溫度下降狀態(tài)持續(xù)約4h 之后，二者溫度相同，并基本同時再次上升。但是整體上來看，在對兩個方案應(yīng)用第5個小時時，其溫度分別在24℃左右和23℃左右，大幅度低于初始設(shè)計方案，但是因?yàn)樵趹?yīng)用的第一個小時到第4個小時之間，方案二的溫度相對于方案一來說更低，所以應(yīng)用方案二能夠體現(xiàn)出最佳的冷卻效果。

3.2 鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)散熱性能結(jié)果分析

（1）冷卻液流量對于散熱性能的影響。在25℃的環(huán)境之內(nèi)，冷卻液的流量不同，能夠?qū)︿囯姵責(zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱性能所產(chǎn)生的影響也各不相同。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)處于最高溫度的狀態(tài)下，冷卻液流量增加，其中的溫度則能夠降低，如果冷卻液處于每分鐘1L 的流量狀態(tài)下，電池組在放電1h 后，其熱管理系統(tǒng)溫度能夠達(dá)到24.9℃，在進(jìn)行5h 的放電工作之后，最高溫度則能夠達(dá)到23.1℃，在冷卻液處于每分鐘2L 的流量狀態(tài)下，進(jìn)行1h 的放電工作之后，其中最高溫度能夠達(dá)到23.6℃，進(jìn)行5 小時放電之后，最高溫度可以實(shí)現(xiàn)22.6℃，如果將冷卻液的流量提升至每分鐘3L，在進(jìn)行1h 的放電工作之后，最高溫度能夠達(dá)到22.8℃，5h 的放電之后，最高溫度則可以實(shí)現(xiàn)21.2℃。而在5h 之后，不同流量狀態(tài)下的電池組溫度均大幅度上升。由此可見，在放電工作處于5h 之內(nèi)時，隨著放電時間的延長最高溫度能夠逐漸下降，而如果放電時間在5h 以上，因?yàn)殡姵責(zé)峁芾硐到y(tǒng)之中會出現(xiàn)內(nèi)阻大幅度上升的情況，所以電池組溫度也就能夠急劇上升，并且從總體上來看，雖然流量為每分鐘3L 時，可以將電池組的溫度控制到最低的水平，但是每分鐘2L 的流量狀態(tài)更有利于保障電池組整體溫度的穩(wěn)定，所以在其中應(yīng)用每分鐘2L 的流量較為適宜。

（2）冷卻液入口溫度能夠?qū)︿囯姵毓芾硐到y(tǒng)散熱性能的影響。在冷卻液處于每分鐘2L 的流量狀態(tài)下，能夠?qū)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行最佳的最高溫度控制，所以在“對冷卻液入口溫度對鋰電池管理系統(tǒng)散熱性能的影響”這一問題進(jìn)行討論時，即設(shè)定冷卻液流量為每分鐘2L。在放電時間持續(xù)延長的背景之下，如果冷卻液溫度為25℃，隨著放電時間的不斷延長，電池最高溫度可不斷降低，但是在第5個小時時，能夠出現(xiàn)顯著的上升，且最高可上升至23.2℃，之后還能夠出現(xiàn)下降情況，所以可以認(rèn)為，在冷卻液溫度為25℃的狀態(tài)下，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在第5個小時時出現(xiàn)最高溫度；如果將冷卻液的入口溫度控制在20℃，其整體溫度變化情況與冷卻液溫度為25℃時基本一致；而如果控制冷卻液溫度為15℃，在放電時間不斷延長的狀態(tài)之下，最高溫度的變化波動較大。從整體上來看，雖然冷卻液入口溫度越低，電池即能夠獲得更好的冷卻效果，但是因?yàn)?5℃相對于環(huán)境溫度來說過低，所以為了避免電池最高溫度出現(xiàn)大幅度的波動，應(yīng)主要選擇應(yīng)用20℃的冷卻液，并盡量保證鋰電池能夠持續(xù)處于溫度波動較小的環(huán)境下開展工作。

（3）放電倍率能夠?qū)︿囯姵毓芾硐到y(tǒng)散熱性能的影響。根據(jù)上文，冷卻液的流量以及入口溫度所對應(yīng)的最優(yōu)值均已明確，但是與此同時，電池組自身的放電倍率也能夠?qū)τ陔姵毓芾硐到y(tǒng)散熱性能產(chǎn)生一定程度的影響，所以還需對相關(guān)問題進(jìn)行探究。在2C 放電倍率的狀態(tài)之下，在電池組開始放電工作之后的1h 之內(nèi)，4個單體電池的溫度均由與環(huán)境溫度一致的25℃，迅速上升至各自的最高溫度，在4個單體電池之中，最高溫度最低為26.7℃，最高則為27.2℃，原因在于，各體電池內(nèi)部具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。在進(jìn)行放電1h 后，4個單體電池的最高溫度已經(jīng)呈現(xiàn)出了緩慢下降的趨勢，而從第4個小時開始，4個單體電池的溫度均輕微上升，到放電的第5個小時，4個單體電池的最高溫度均處于大幅度上升的狀態(tài)當(dāng)中，直至放電工作完全結(jié)束，4個單體電池的最高溫度，最低為28.2℃，最高則為28.8℃，原因在于，放電工作結(jié)束時，各電池之中的導(dǎo)熱系數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的升高。但是從總體上來看，因?yàn)樵撾姵亟M的最高溫度尚未超過29℃，所以在冷卻條件到一定程度時，其溫度能夠符合最佳工作溫度標(biāo)準(zhǔn)，也就是說，冷卻結(jié)構(gòu)在其中可以獲得較好的應(yīng)用效果。

在3C 放電倍率的狀態(tài)之下，4個單體電池的最高溫度變化情況與2C 放電倍率狀態(tài)下的變化情況基本一致，在開始放電之后的1h 之內(nèi)，4個單體電池的最高溫度能夠達(dá)到29℃以上，且放電時間延長，最高溫度能夠隨之上升。在第1個小時到第5個小時之間，4個單體電池的溫度始終處于緩慢上升的狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入到第5個小時時，4個單體電池均出現(xiàn)了溫度大幅度上升的情況，但是最高溫度始終未大于36℃，所以可以認(rèn)為，鋰電池處于電源狀態(tài)時，其最適宜的工作溫度范圍在29 ～40℃之間，并且即使處于3C 放電倍率的狀態(tài)之下，應(yīng)用方案二之中的冷卻結(jié)構(gòu)，電池組溫度也能夠得到較好的控制。

4 結(jié)語

在本次研究之中，研究對象為新能源汽車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱性能，從實(shí)際上來看，對于其中冷卻結(jié)構(gòu)散熱效果產(chǎn)生影響的主要因素，為電池組自身溫度的不均勻性，所以可以根據(jù)實(shí)際需求對不同的優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計，以促使新能源汽車鋰電池的熱管理系統(tǒng)熱性能得到持續(xù)優(yōu)化。通過對方案二進(jìn)行應(yīng)用，確認(rèn)其中冷卻液流量、入口溫度以及放電倍率的最優(yōu)狀態(tài)，結(jié)果顯示，冷卻液流量應(yīng)控制為每分鐘2L、入口溫度應(yīng)控制為20℃、放電倍率應(yīng)控制為3C，在此狀態(tài)下，新能源汽車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)熱性能可以得到最佳的優(yōu)化效果。