基于熱-流耦合模型的動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)冷卻性能研究

楊元龍，張高凡，劉 強(qiáng)，楊乃興

(1.蘇文電能科技股份有限公司，江蘇常州 213100；2.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710055；3.西安迅湃快速充電技術(shù)有限公司，陜西西安 710076)

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池的性能與其溫度密切相關(guān)[1-2]。通常，動(dòng)力鋰離子電池的最佳運(yùn)行溫度范圍為20～35 ℃，許用運(yùn)行溫度范圍為10～45 ℃[2-3]。目前，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在寒冷環(huán)境下的加熱通常采用PTC(positive temperture coefficient)加熱器或電加熱膜實(shí)現(xiàn)，其性能基本可滿(mǎn)足電池加熱要求。因此，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的冷卻成為其熱管理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)動(dòng)力電池性能指標(biāo)和汽車(chē)安全性具有重要影響[4-5]。

目前，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池常見(jiàn)冷卻方式主要有風(fēng)冷系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)和直冷系統(tǒng)[1,6]。其中，液冷系統(tǒng)因其具有散熱效率高、冷卻容量大、結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前電池冷卻的主流技術(shù)[1,7-8]。液冷系統(tǒng)的啟停通常以電池溫度進(jìn)行控制[9]，其冷卻液體常選用乙二醇溶液[1,10]。冷卻液的流量和進(jìn)口溫度對(duì)液冷系統(tǒng)冷卻效果具有重要影響，較高的流量和較低的進(jìn)口溫度均有利于提高液冷系統(tǒng)的散熱容量[10-11]，但會(huì)影響系統(tǒng)功耗和電池均溫效果[7]。因此，明確冷卻液流量、進(jìn)口溫度及系統(tǒng)啟停溫度對(duì)電池液冷系統(tǒng)的影響規(guī)律，建立選取上述參數(shù)最優(yōu)數(shù)值的評(píng)價(jià)方法是優(yōu)化電池液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的重要內(nèi)容，對(duì)提高冷卻效果和節(jié)約動(dòng)力電池功耗均具有重要意義。本文以某軟包型鋰離子動(dòng)力電池為研究對(duì)象，對(duì)工程中應(yīng)用較為廣泛的電池夾持液冷板冷卻方案[2]，建立熱-流耦合仿真模型，并對(duì)不同冷卻液流量、進(jìn)口溫度及系統(tǒng)停止溫度下的動(dòng)力電池冷卻過(guò)程進(jìn)行仿真，以得到不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池液冷系統(tǒng)冷卻性能的影響規(guī)律。

1 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

圖1 為電芯夾持液冷板典型布置方案，其由20 塊電芯和20 塊液冷板交替疊放而成，每個(gè)液冷板內(nèi)部有冷卻液流道，液冷板通過(guò)冷卻液總進(jìn)總出管道并聯(lián)而成。

圖1 鋰離子電池液冷板布置示意圖

1.1 模型構(gòu)建與求解器設(shè)置

從圖1 可以看出，上述電池液冷方案由電池和液冷板交替疊放而成，因此，計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為單個(gè)電池和液冷板構(gòu)成的基本單元。由于電池極耳具有良好的導(dǎo)熱性能，并且其在充放電過(guò)程中并不產(chǎn)熱，因而在計(jì)算模型中電池極耳可暫不考慮。

為簡(jiǎn)化模型計(jì)算，鋰離子電池充放電過(guò)程中的產(chǎn)熱功率采用基于D.Bernardi 電池生熱模型[13]的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如式(1)所示。電池充放電過(guò)程中的端電壓采用式(2)計(jì)算得到，可用于放電截止控制[7-8]。式(1)～(2)中，變量Rohm、Ract、Uocv和dUocv/dT的詳細(xì)推導(dǎo)見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

式中：Rohm為歐姆電阻，Ω；Ract為極化電阻，Ω；Uocv為開(kāi)路電壓，V；I為電流，A(充電為正，放電為負(fù))；T為電池溫度，K；dUocv/dT為電池熵變系數(shù)，V/K。

電池放電過(guò)程中的端電壓可表示為：

式中：Ucell為電池端電壓，V。

鋰離子電池在放電過(guò)程中將產(chǎn)生熱量，熱量經(jīng)電池、液冷板傳遞到冷卻液體，最終由冷卻液體將熱量帶出電池倉(cāng)，從而實(shí)現(xiàn)電池冷卻。上述散熱過(guò)程涉及固體傳熱、液體傳熱和冷卻液流動(dòng)三個(gè)物理過(guò)程。本文利用有限元商業(yè)軟件COMSOL 進(jìn)行模型求解，其中，電池內(nèi)部傳熱控制方程為有熱源的固體傳熱方程，液冷板內(nèi)部傳熱控制方程為無(wú)熱源的固體傳熱方程，冷卻液傳熱和流動(dòng)方程為非等溫管道流控制方程。冷卻液進(jìn)口條件為溫度和不可壓縮體積流量進(jìn)口，出口條件為熱通量和壓力出口；模型采用自由四面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為34 611，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.455 7。

1.2 模型參數(shù)

液冷板厚度設(shè)置為1.4 mm，內(nèi)部矩形流道橫截面尺寸為1.2 mm×8.0 mm；冷卻液選用體積分?jǐn)?shù)為50%的乙二醇溶液[1,10]；鋰離子電池正極采用NCM 111 型鎳鈷錳酸鋰(LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2)，負(fù)極采用石墨(LiyC6)，其中，x和y為正、負(fù)極相對(duì)嵌鋰量，取值范圍為(0,1)。鋰離子電池、液冷板及冷卻液主要參數(shù)如表1 所示(由廠(chǎng)家提供)。

表1 模型參數(shù)

1.3 模型驗(yàn)證

圖2 為鋰離子電池充放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)由電池測(cè)試設(shè)備、恒溫箱、數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄儀及計(jì)算機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)電池不同環(huán)境溫度和電流條件下的充放電測(cè)試，同時(shí)可利用熱電阻對(duì)測(cè)試電池溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄儀存儲(chǔ)和顯示。為驗(yàn)證模型的可靠性，本文利用上述電池測(cè)試平臺(tái)在25 ℃下對(duì)電池不同倍率(0.3C、1.0C和2.0C)下的放電過(guò)程進(jìn)行了測(cè)量。

圖2 鋰離子電池充放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 為放電過(guò)程中電池溫度與端電壓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，可以看出，模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。經(jīng)計(jì)算，在0.3C、1.0C和2.0C下的電池溫度絕對(duì)誤差在整個(gè)放電過(guò)程的平均值分別為0.154、0.299 和0.208 ℃，電池端電壓絕對(duì)誤差的平均值分別為0.012、0.016 和0.023 V，可見(jiàn)上述模型具有較高的計(jì)算精度。從圖3 還可以看出，在電池放電過(guò)程的部分階段，電池平均溫度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差，其原因可能與歐姆電阻Rohm、熵變系數(shù)dUocv/dT的測(cè)取以及電池極化電壓損失估算的誤差有關(guān)，但電池最大誤差不超過(guò)1 ℃，可以滿(mǎn)足電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)需求。

圖3 在25 ℃下以不同倍率放電時(shí)的電池(a)平均溫度與(b)端電壓

2 數(shù)值仿真與結(jié)果分析

本文以45 ℃下電池2C持續(xù)放電時(shí)的熱負(fù)荷為液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，選用電池最高溫度進(jìn)行液冷啟?？刂?，其中液冷系統(tǒng)啟動(dòng)溫度為40 ℃，啟動(dòng)時(shí)間延遲為30 s，放電截止電壓為2.8 V。

2.1 冷卻液進(jìn)口流量對(duì)電池散熱性能的影響

為研究冷卻液進(jìn)口流量對(duì)電池液冷系統(tǒng)冷卻性能的影響規(guī)律，設(shè)置冷卻液進(jìn)口溫度和液冷系統(tǒng)停止溫度分別為25 和35 ℃。圖4 為不同冷卻液進(jìn)口流量下電池平均溫度變化曲線(xiàn)。從圖4 可以看出，當(dāng)冷卻液流量為0.72 L/h 時(shí)，液冷系統(tǒng)因冷卻液流量過(guò)小使其散熱容量較低，因此液冷系統(tǒng)開(kāi)啟后無(wú)法使電池最高溫度降低到液冷系統(tǒng)停止溫度(35 ℃)，其在電池放電的全過(guò)程均保持開(kāi)啟狀態(tài)；當(dāng)冷卻液流量逐漸增大時(shí)，液冷系統(tǒng)的散熱能力增強(qiáng)，其開(kāi)啟后將使電池溫度快速下降到系統(tǒng)停止溫度，當(dāng)電池最高溫度再次達(dá)到系統(tǒng)開(kāi)啟溫度(40 ℃)時(shí)，液冷系統(tǒng)將第二次啟動(dòng)。

圖4 不同冷卻液流量下的電池平均溫度變化

表2 給出了不同進(jìn)口流量下液冷系統(tǒng)啟停次數(shù)、開(kāi)啟時(shí)間、冷卻液壓降及電池平均溫差?？梢钥闯觯S著冷卻液流量的增大，液冷系統(tǒng)啟停次數(shù)呈增加趨勢(shì)，但其啟動(dòng)總時(shí)間縮短、冷卻液壓降增大。冷卻液流速隨流量的增大而增大，使得冷卻液體與流道壁面的摩擦力增大，從而冷卻液進(jìn)出口壓降增大。在液冷系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，電池散熱速率隨冷卻液流量的增大而增大，使得電池溫度達(dá)到液冷系統(tǒng)停止溫度的時(shí)間縮短。由于液冷系統(tǒng)的泵功消耗與其啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、冷卻液流量和壓降的乘積成正比[14]，計(jì)算表明電池整個(gè)放電過(guò)程中的系統(tǒng)泵功隨冷卻液流量的增大而逐漸增大。經(jīng)計(jì)算，在上述6個(gè)進(jìn)口流量下，電池溫度在放電過(guò)程中的平均值分別為40.1、36.4、35.9、35.6、35.4 和35.3 ℃，因而冷卻液進(jìn)口流量的增大使得其帶走的電池?zé)崃肯仍龃螅S后基本保持不變，即：車(chē)載制冷系統(tǒng)功耗隨冷卻液進(jìn)口流量的增大先增大隨后基本保持不變。從表2 還可以看出，冷卻液流量的增大使電池溫度分布的均勻性提高，其原因是冷卻液沿流動(dòng)方向的溫升速率隨進(jìn)口流量的增大而降低，從而使得單體電池內(nèi)部溫差減小。此外，冷卻流量的提高能顯著降低液冷系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，有利于提高其使用壽命、降低其維護(hù)成本。

表2 不同流量下液冷系統(tǒng)的啟停次數(shù)、開(kāi)啟時(shí)間、冷卻液壓降及電池平均溫差

從上述分析可知，動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)冷卻液流量的增大雖然會(huì)增加系統(tǒng)泵功消耗，但其有利于提高電池溫度分布的均勻性、延長(zhǎng)液冷系統(tǒng)的使用壽命并降低其維護(hù)成本，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行綜合考慮。

2.2 冷卻液進(jìn)口溫度對(duì)電池散熱性能的影響

為研究冷卻液進(jìn)口溫度對(duì)電池散熱性能的影響，設(shè)置進(jìn)口流量和系統(tǒng)停止溫度分別為3.6 L/h 和35 ℃。圖5 為不同冷卻液進(jìn)口溫度下電池平均溫度變化曲線(xiàn)?？梢钥闯觯S著冷卻液進(jìn)口溫度的升高，液冷系統(tǒng)開(kāi)啟后電池溫度的下降速率逐漸減小，表明液冷系統(tǒng)的散熱功率有所降低；當(dāng)冷卻液進(jìn)口溫度增大到一定數(shù)值(如：34 ℃)后，過(guò)小的冷卻液散熱功率將無(wú)法使電池最高溫度降低到系統(tǒng)停止溫度，系統(tǒng)在電池放電的全過(guò)程均保持開(kāi)啟。

圖5 不同冷卻液進(jìn)口溫度下的電池平均溫度變化

表3 給出了不同冷卻液進(jìn)口溫度下的系統(tǒng)啟停次數(shù)、開(kāi)啟時(shí)間及電池平均溫差。從表3 可以看出，當(dāng)冷卻液進(jìn)口溫度從19 ℃增加到31 ℃時(shí)，液冷系統(tǒng)均啟動(dòng)兩次、停止一次，系統(tǒng)啟動(dòng)總時(shí)長(zhǎng)隨進(jìn)口溫度的增大而延長(zhǎng)。由于液冷系統(tǒng)冷卻液流量一定時(shí)，其壓降幾乎不變，因而在電池整個(gè)放電過(guò)程中系統(tǒng)泵功消耗隨冷卻液進(jìn)口溫度的升高而增大。經(jīng)計(jì)算，在上述5 個(gè)進(jìn)口溫度下，電池溫度在放電過(guò)程中的平均值分別為34.7、35.4、35.9、36.5 和37.1 ℃，因而冷卻液進(jìn)口溫度的增大使得其帶走的電池?zé)崃拷档?，從而降低了?chē)載制冷系統(tǒng)的功耗。從表3 還可以看出，隨冷卻液進(jìn)口溫度的升高，電池平均溫差減小，表明其均溫性提高。

表3 不同進(jìn)口溫度下液冷系統(tǒng)的啟停次數(shù)、開(kāi)啟時(shí)間及電池平均溫差

從上述分析可知，在電池冷卻液流量不變的情況下，冷卻液進(jìn)口溫度的升高雖然會(huì)延長(zhǎng)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)、增加系統(tǒng)泵功消耗，但同時(shí)會(huì)降低車(chē)載制冷系統(tǒng)的功耗，并有利于提高電池均溫性能。

2.3 冷卻液停止溫度對(duì)電池散熱性能的影響

為研究液冷系統(tǒng)停止溫度對(duì)其冷卻效果的影響規(guī)律，設(shè)置冷卻液進(jìn)口流量和溫度為3.60 L/h 和31 ℃。圖6 為液冷系統(tǒng)在不同停止溫度下的電池平均溫度變化曲線(xiàn)。表4 為相應(yīng)條件下的系統(tǒng)啟停次數(shù)、開(kāi)啟時(shí)間及電池平均溫差。

表4 不同停止溫度下液冷系統(tǒng)的啟停次數(shù)、開(kāi)啟時(shí)間及電池平均溫差

圖6 液冷系統(tǒng)不同停止溫度下的電池平均溫度變化

從圖6 可以看出，當(dāng)液冷系統(tǒng)冷卻液進(jìn)口流量和溫度保持不變時(shí)，隨著液冷系統(tǒng)停止溫度的升高，其啟停次數(shù)呈增加趨勢(shì)、系統(tǒng)開(kāi)啟總時(shí)長(zhǎng)縮短(表4)，從而使系統(tǒng)泵功降低。經(jīng)計(jì)算，在上述系統(tǒng)停止溫度下，電池放電過(guò)程的溫度平均值分別為34.4、36.5、37.1、37.3、37.6 和38.0 ℃。因此，隨著液冷系統(tǒng)停止溫度的升高，冷卻液帶走的電池?zé)崃恐饾u降低，使得車(chē)載制冷系統(tǒng)的功耗降低。從表4 還可以看出，電池放電過(guò)程中的溫差隨系統(tǒng)停止溫度的升高變化較小，表明電池均溫性受系統(tǒng)停止溫度影響較小。

從上述分析可知，在電池冷卻液進(jìn)口流量和溫度均保持不變的情況下，液冷系統(tǒng)停止溫度的升高有利于降低系統(tǒng)功耗，并且對(duì)電池溫度分布的均勻性影響較小，但會(huì)增加系統(tǒng)啟停次數(shù)。因此，在實(shí)際液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足電池散熱要求的情況下，應(yīng)盡量選取較大的數(shù)值，但不可過(guò)于接近液冷系統(tǒng)開(kāi)啟溫度，否則會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)頻繁啟停的情況。

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了動(dòng)力鋰離子電池典型液冷系統(tǒng)的熱-流耦合模型，進(jìn)一步對(duì)冷卻液不同進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度和液冷系統(tǒng)停止溫度下電池放電的冷卻過(guò)程進(jìn)行了模擬，結(jié)論如下：

(1)所構(gòu)建的熱-流耦合模型不但可準(zhǔn)確模擬電池放電過(guò)程中的發(fā)熱現(xiàn)象，而且可準(zhǔn)確模擬電池的放電電壓，從而可使用電池電壓作為其放電停止的控制條件，同時(shí)模擬過(guò)程考慮了液冷系統(tǒng)的啟?？刂坪蛦?dòng)延遲現(xiàn)象，使液冷系統(tǒng)的運(yùn)行更接近于實(shí)際工況。

(2)在冷卻液進(jìn)口溫度和液冷系統(tǒng)停止溫度相同時(shí)，動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)冷卻液流量的增大雖然會(huì)增加液冷系統(tǒng)的功耗，但其有利于提高電池溫度分布的均勻性、延長(zhǎng)液冷系統(tǒng)的使用壽命并降低其維護(hù)成本。

(3)在冷卻液進(jìn)口流量和液冷系統(tǒng)停止溫度相同時(shí)，冷卻液進(jìn)口溫度的升高雖然會(huì)延長(zhǎng)液冷系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)、增加系統(tǒng)泵功消耗，但同時(shí)會(huì)降低車(chē)載制冷系統(tǒng)的功耗，并有利于提高電池溫度分布的均勻性。

(4)在冷卻液進(jìn)口流量和進(jìn)口溫度相同時(shí)，液冷系統(tǒng)停止溫度的升高有利于降低系統(tǒng)功耗，且?guī)缀醪粫?huì)影響電池溫度分布的均勻性，但會(huì)增加系統(tǒng)啟停次數(shù)。

綜上，在實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)液冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)電池散熱要求、系統(tǒng)功耗要求、系統(tǒng)啟停次數(shù)限制及電池應(yīng)用場(chǎng)景綜合選定冷卻液進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度及液冷系統(tǒng)啟停溫度。