FSAC賽車(chē)動(dòng)力電池的復(fù)合冷卻

摘 "要：針對(duì)中國(guó)大學(xué)生無(wú)人駕駛方程式賽車(chē)動(dòng)力鋰電池散熱效率較低的問(wèn)題，提出風(fēng)冷與相變材料結(jié)合的復(fù)合冷卻技術(shù)?；谝痪S生熱模型與三維傳熱模型，研究鋰電池模組在高倍率放電下的產(chǎn)熱特性，采用ANSYS風(fēng)冷下的電池溫度分布，對(duì)銅排與極柱連接部分進(jìn)行相變材料冷卻，同時(shí)在模組間放置散熱隔板進(jìn)行相變材料冷卻，進(jìn)一步探究單體電池的最大溫度分布。結(jié)果表明，單體電池最大溫度降低到29 ℃，之間最大溫差為2 ℃，電池散熱效果得到優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力鋰電池；產(chǎn)熱特性；溫度；復(fù)合冷卻

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.6+96 " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-5483（2024）01-0024-06

Composite Cooling for FSAC Rasing Car Power Batteries

Xiao Li， Dong Xiujuan， Yang Yahui， Lan Jianping， Wang Guoqiang， Wang Siteng

（Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China）

Abstract： To solve the issue of low heat dissipation efficiency in the lithium power batteries for Formula Student Autonomous China， a composite cooling technology combining air cooling with phase change materials was proposed. Based on a one-dimensional heat generation model and a three-dimensional heat transfer model， the heat generation characteristics of lithium battery modules under high-rate discharge were studied. ANSYS software was used to study the temperature distribution of the battery under air cooling. At the same time， phase change material cooling was applied to the connection between the copper bar and the pole， and a heat dissipation partition was placed between the modules for phase change material cooling to further explore the maximum temperature distribution of single-cell batteries. The results show that the maximum temperature of the single-cell battery is reduced to 29 ℃， and the maximum temperature difference between the cells is 2 ℃. The heat dissipation effect of the battery is optimized.

Key words： lithium power battery; heat generation characteristics; temperature; composite cooling

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)最為重要的儲(chǔ)能零件，其安全性與可靠性直接影響汽車(chē)的續(xù)航。尤其是在高倍率放電工況下，電池箱內(nèi)溫度顯著上升，極易造成安全隱患。此外電池組中不均勻的溫度分布會(huì)導(dǎo)致不同的充放電行為，進(jìn)而導(dǎo)致電池模組的不平衡和電池組性能的下降［1］。因此采用適當(dāng)?shù)纳崂鋮s技術(shù)可以有效對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行溫度控制，提高電池的安全性能。國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)人駕駛賽車(chē)電池散熱方法進(jìn)行了大量研究，常見(jiàn)的方式有風(fēng)冷和液冷，還有風(fēng)冷與相變材料結(jié)合的復(fù)合冷卻技術(shù)。馬永笠等［2］提出使用鼓風(fēng)機(jī)控制電池組內(nèi)空氣往復(fù)的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)。王曉慧等［3］采用流速0.5 m·s?1、溫度為環(huán)境溫度的冷卻空氣，滿(mǎn)足了散熱需要，電池單體間保持了較好的溫度一致性。蔡天鏖等［4］通過(guò)調(diào)整電池組排布間距及風(fēng)速，使電池組溫度控制在24 ℃以?xún)?nèi)，溫差控制在3.2 ℃以下。Wang S［5］等發(fā)現(xiàn)在自然對(duì)流條件下，翅片的加入限制了電池組溫度的顯著升高。Sabbah R［6］比較了強(qiáng)制風(fēng)冷和PCM冷卻的散熱效果，結(jié)果表明PCM冷卻方法有助于減少不受控制的電池?zé)崃繑U(kuò)散。目前多數(shù)研究工作主要針對(duì)鋰電池在不同風(fēng)冷環(huán)境下的電池組擺放位置及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，忽視了銅排與負(fù)極柱在高倍率下的產(chǎn)熱量，文中以湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院FSAC賽車(chē)動(dòng)力電池為主體，在風(fēng)冷技術(shù)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)散熱翅片，同時(shí)在模組間放置散熱隔板，對(duì)銅排與正負(fù)極柱進(jìn)行相變材料冷卻；對(duì)電池模組溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真求解，并驗(yàn)證所建模型的有效性。

1 單體和電池模組模型建立

1.1 電池模型建立

以FSAC賽車(chē)使用的高倍率聚合物鋰離子蓄電池電芯為研究對(duì)象，單體外殼為鋁塑膜，正極材料為鈷酸鋰，負(fù)極材料為石墨，正極極耳為鋁制材料，負(fù)極極耳為銅制材料，具體參數(shù)如表1所示。單體電池主要由外殼、內(nèi)核和極柱構(gòu)成，見(jiàn)圖1。

為了使三維模組的結(jié)構(gòu)更加清晰，建模時(shí)省去模組上方的采集模塊及壓接螺栓等，僅保持銅排與電芯焊接。電池模組通過(guò)銅排單個(gè)串聯(lián)（1P15S）的排列方式連接，單體電芯間距為4 mm。

電池箱包含電池模組、繼電器、熔斷器以及外殼等，考慮到仿真過(guò)程中對(duì)于網(wǎng)格質(zhì)量的要求，將電池箱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略螺栓、高壓插頭等對(duì)熱仿真影響較小的裝置。根據(jù)電池箱模型，測(cè)得電池模組尺寸為360 mm [×] 370 mm [×] 225 mm，電池箱內(nèi)部如圖2所示。

1.2 電池生熱機(jī)理及傳熱過(guò)程

鋰離子電池?zé)崃恐饕獊?lái)源于電池充放電過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，鋰離子電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生總熱量［7］：

[Q=Qa+Qb+Qc=nmQIMF+I2Re+I2Rp] （1）

式中：Qa為正負(fù)極材料產(chǎn)生反應(yīng)熱，是熱量的主要來(lái)源［8］；Qb為鋰離子電池內(nèi)阻產(chǎn)生焦耳熱；Qc為電解液分解熱；n為電池的數(shù)量；m為電池極耳的質(zhì)量；Q為電池產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)熱；I為充放電電流；M為摩爾質(zhì)量；F為法拉第常數(shù)；Re為歐姆內(nèi)阻；RP為極化內(nèi)阻。

電化學(xué)生熱模型采用Bernarid等提出的簡(jiǎn)化理論熱模型［9］：

[q=IVEo-U1-TdEodT] （2）

式中：q為電池的產(chǎn)熱；V為電池體積；Eo為開(kāi)路電壓；U1為兩端電壓；T為系統(tǒng)溫度。

電池放電，鋰電池內(nèi)部電解質(zhì)溶液流動(dòng)過(guò)于微弱，可以忽略電池內(nèi)部的熱對(duì)流；鋰離子電池的極耳材料是銅和鋁，導(dǎo)熱率較好，熱量傳輸較多。在簡(jiǎn)化模型條件下，認(rèn)為電池內(nèi)部傳熱過(guò)程中電池各項(xiàng)異性產(chǎn)熱速率不變，各個(gè)模組產(chǎn)生熱量相同且電池的各項(xiàng)材料參數(shù)不隨時(shí)間與溫度發(fā)生變化［10］。鋰離子電池?zé)醾鲗?dǎo)過(guò)程可由傅里葉定律描述：

[ρbatCp?T?t=?（k?T）+qbat] （3）

式中：ρbat為電池平均密度；Cp為電池定壓比熱容；k為電池導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3 電池?zé)嵛镄詤?shù)獲取

單體電池導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算為

[kTi=LjkTjLj] （4）

式中：kTi為單體電池i方向的導(dǎo)熱系數(shù)；i為坐標(biāo)軸方向，在正負(fù)極平面上i取x、y，在正負(fù)極垂直方向上i取z；Lj為單體電池導(dǎo)熱部件j的厚度；kTj為單體電池導(dǎo)熱部位j的導(dǎo)熱系數(shù)；j為單體電池導(dǎo)熱部件，即負(fù)極集流體、負(fù)極、隔膜、正極或正極集流體。其中活性電池材料的密度計(jì)算式為

[ρcell=LiρiLi] （5）

活性電池材料比熱容的計(jì)算式為

[Cp cell=LiCpiLi] （6）

式中：ρi為單體電池的密度；Cpi為單體電池比熱容。根據(jù)電池材料各項(xiàng)數(shù)值，計(jì)算得到單體電池等效度ρcell為2.1949×103 kg·m?3，單體電池等效比熱容Cpcell為1.321×106 J·（kg·m）?1；導(dǎo)熱系數(shù)在x方向?yàn)?.083 W·（m·K）?1，y方向?yàn)?0.032 W·（m·K）?1，z方向?yàn)?0.032 W·（m·K）?1。

1.4 邊界條件及計(jì)算結(jié)果

基于NTGK經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?1］，設(shè)置環(huán)境初始溫度為20 ℃，單體電池與外界在自然條件下的對(duì)流換熱系數(shù)為5 W·（m3·K），設(shè)定迭代步數(shù)為1 s，得到不同倍率下的單體電池溫度分布。

2C放電下，單體電池不同時(shí)刻溫度云圖如圖3a～c所示，模組不同時(shí)刻溫度云圖如圖3d～e所示。

恒流放電時(shí)，單體電池各方向?qū)嵯禂?shù)的不同使得熱量向不同方向產(chǎn)熱速率不同，導(dǎo)致溫度分布不同。隨著放電時(shí)間的增長(zhǎng)，單體電池內(nèi)部熱量增加，極耳與銅排溫度急劇上升，整體溫度顯著上升。同時(shí)正負(fù)極柱的產(chǎn)熱增大會(huì)影響模組溫度峰值分布［12］，電池模組的熱管理存在嚴(yán)重隱患，因此有必要對(duì)正負(fù)極柱與銅排采取散熱措施。

2 受迫風(fēng)冷下電池模組仿真

2.1 電池模組熱模型和散熱裝置

對(duì)于三維傳熱模型，選擇等效電路模型（ECM）對(duì)電池模組進(jìn)行建模［13］。采用功率預(yù)測(cè)法［14］來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)（SOP）的預(yù)測(cè)計(jì)算。開(kāi)路電壓計(jì)算方程為

[UD=iLCD-UDRDCD] （7）

計(jì)算不同放電倍率下的發(fā)熱功率，得到單體電池在2C放電下對(duì)應(yīng)的功率為3.2 W。

對(duì)于風(fēng)扇選型，主要考慮風(fēng)扇尺寸，流經(jīng)微型風(fēng)扇體積的流量以及振動(dòng)噪聲分析。大多數(shù)微型風(fēng)扇曲線(xiàn)為非線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)于不同轉(zhuǎn)速下P-Q曲線(xiàn)計(jì)算方法為

[Lair=QMρa(bǔ)irCrΔT] （8）

式中：Lair為動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)所需要的總空氣流量；QM為總發(fā)熱量；ρa(bǔ)ir為空氣密度；Cr為空氣比熱容；[Δ]T電池溫度風(fēng)口的溫差。出風(fēng)口溫度取38 ℃，進(jìn)風(fēng)口溫度選取22 ℃，代入電芯的體積及熱速率，計(jì)算得到單體電池需要散熱空氣量為0.7834 CFM。由于散熱系統(tǒng)對(duì)流冷卻空氣的自由流通具有一定阻礙，裝備的散熱風(fēng)扇在實(shí)際工作中達(dá)不到最大風(fēng)量。以2C作為考量，確定總需求風(fēng)量為74.2 CFM。選取6個(gè)在靜壓下體積流量較大的鼓風(fēng)機(jī)，得到P-Q曲線(xiàn)如圖4所示。

2.2 受迫風(fēng)冷下的仿真分析

在受迫風(fēng)冷下，對(duì)流換熱系數(shù)較大，可以忽略熱輻射影響［15］，計(jì)算雷諾數(shù)判定空氣流動(dòng)狀態(tài)，選擇湍流模型，初始環(huán)境溫度為20 ℃，輸入風(fēng)扇參數(shù)，求解得到的殘差曲線(xiàn)趨近于收斂。

受迫風(fēng)冷下電池模組溫度云圖如圖5所示。由圖5可知，中心單體電池最高溫度為38 ℃，整體溫度在35 ℃，溫度峰值居中，存在大量熱量，在側(cè)面出現(xiàn)中心溫度向兩側(cè)逐漸減小的現(xiàn)象。進(jìn)口風(fēng)扇周邊的溫度比較低，溫度峰值主要集中在風(fēng)扇下側(cè)，這是由于單體電池從內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量后，進(jìn)口風(fēng)扇將流動(dòng)空氣與熱量進(jìn)行交換，風(fēng)扇分布在電池中上部及極耳位置，使得上部空氣流動(dòng)性較大［16］，溫度較低。而風(fēng)扇底部空氣由于緊貼壁面，空氣流動(dòng)較少，致使熱量大量聚集，溫度較高。

在無(wú)人駕駛賽車(chē)實(shí)際復(fù)雜的工況下，電池箱溫度不均勻?qū)τ谫愜?chē)耐久性能是不利的，甚至危害駕駛員安全，因此需要對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理。

3 風(fēng)冷基礎(chǔ)上的復(fù)合材料冷卻

根據(jù)圖3b得出的結(jié)論可知，需要對(duì)銅排與正負(fù)極柱進(jìn)行散熱。相變溫度在45 ℃相對(duì)常用［17］，翅片熱量能迅速對(duì)流交換，對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)而言，散熱器的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此對(duì)散熱器參數(shù)優(yōu)化十分重要［18］。在銅排上以螺栓壓接散熱器，散熱器安裝模型如圖6所示，散熱器材質(zhì)鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為237 W·（m·K） ?1。

鋰電池?zé)釋?duì)流過(guò)程由牛頓冷卻定律描述：

[q=h（Ts-Tb）] （9）

式中：q為熱流密度；h為對(duì)流換熱系數(shù)；Ts為固體表面溫度；Tb為環(huán)境溫度。

3.1 散熱翅片參數(shù)對(duì)單體溫度的影響

1） 翅片厚度影響 以單體電池最大溫度作為參考，選定翅片的間距為5 mm、長(zhǎng)度為10 mm，依次將翅片厚度調(diào)整為1～2.5 mm，仿真得到單體電池溫度曲線(xiàn)如圖7a所示。相比于2.5 mm，散熱翅片厚度為1.4 mm時(shí)，溫度最低可以降低2 ℃。在熱流量一定時(shí)，熱流面積增加使得熱流密度降低，溫差越小，散熱效果越好。當(dāng)熱量通過(guò)散熱器傳導(dǎo)到翅片時(shí)，厚度增加導(dǎo)致翅片熱量迅速增加［19］，同時(shí)空氣粘滯作用增加，使風(fēng)量與翅片對(duì)流換熱較慢，翅片表面溫度難以下降，即空氣阻力作用大于散熱作用。這說(shuō)明了在間距不變的條件下，散熱翅片厚度對(duì)溫度控制有一定的優(yōu)化作用。

2） 翅片長(zhǎng)度影響 保持翅片厚度為1.4 mm、間距為5 mm，翅片長(zhǎng)度分別調(diào)整為8～12 mm，仿真得到單體電池溫度曲線(xiàn)如圖7b所示。由圖7b可以看出，翅片長(zhǎng)度與溫度分布并無(wú)明顯函數(shù)關(guān)系。翅片在增加橫向面積后，短期內(nèi)積累熱量，但在風(fēng)冷下迅速對(duì)流換熱，溫度分布無(wú)明顯變化。

3） 翅片間距影響 選定翅片厚度為1.4 mm、長(zhǎng)度為10 mm，分別調(diào)整翅片間距為2～6 mm，仿真得到單體電池溫度曲線(xiàn)如圖7c所示。由圖7c可知，隨著翅片間距的增加，單體電池溫度總體逐漸降低。當(dāng)間距較小時(shí)，空氣流動(dòng)阻力較大，同時(shí)翅片數(shù)量較多，熱量難以散出致使大量聚集，導(dǎo)致溫度有所升高。間距較大時(shí)，空氣流動(dòng)性較好，電池與流體溫差逐漸降低，對(duì)流換熱更充分。

根據(jù)上述分析，并考慮散熱器的結(jié)構(gòu)與性能，確定優(yōu)化后的參數(shù)如下：散熱翅片厚度為1.4 mm、間距為5 mm、長(zhǎng)度為10 mm。

3.2 不同模組間的散熱優(yōu)化

在模組中插入鋼制散熱隔板，制作隔板厚度為6 mm，隔板上空隙數(shù)量為40、間距為3 mm，如圖8a所示?；谏崞鲀?yōu)化后的參數(shù)，插入散熱隔板，進(jìn)行仿真分析，得到電池模組云圖如圖8b所示。由圖8b可知，插入散熱隔板后，電池模組之間溫度分布更均勻，電池表面溫度為29 ℃，各方向溫度為27 ℃左右，這是由于散熱隔板將熱量進(jìn)行均勻排放，各個(gè)單體電池?zé)崃康玫搅擞行Ы粨Q。對(duì)流換熱過(guò)程中，隔板上氣體不封閉，正負(fù)極耳產(chǎn)生的熱量無(wú)法聚集，又由于散熱隔板的材質(zhì)為不銹鋼，導(dǎo)熱率較低，溫度變化較低，底部空氣流動(dòng)性較少，使得隔板下側(cè)局部溫度為25℃。

4 仿真對(duì)比與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在相同條件下電池以2C放電，對(duì)比受迫風(fēng)冷與復(fù)合冷卻優(yōu)化后的散熱性能，仿真計(jì)算得到溫度分布云圖，如圖9所示。通過(guò)對(duì)比，復(fù)合冷卻的散熱性能明顯優(yōu)于受迫風(fēng)冷，電池箱整體溫度下降7 ℃左右，最大溫差也明顯降低。究其原因，散熱器的參數(shù)優(yōu)化將電池?zé)崃坑行鲗?dǎo)翅片上進(jìn)行對(duì)流換熱，散熱隔板的運(yùn)用使得空氣流量均勻流向模組，進(jìn)而提高整體散熱性能。

將散熱器放置在模組上，散熱隔板固定在箱體，選用充放電測(cè)試系統(tǒng)，恒流放電倍率為2C，利用可程式恒溫恒濕箱控制環(huán)境溫度，將電池模組放入試驗(yàn)箱內(nèi)，采用深圳科列公司的BMS對(duì)電池溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集［20］，并通過(guò)顯示屏進(jìn)行讀取。將優(yōu)化后的散熱仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)出，同時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)2次數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到曲線(xiàn)如圖10所示。通過(guò)圖10可知，單體電池實(shí)驗(yàn)溫度主要分布在29.5 ℃左右，與仿真溫度對(duì)比，溫差最大為0.9 ℃，可能是由于邊界條件過(guò)于極限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)溫度比仿真溫度略高。實(shí)驗(yàn)溫度與仿真溫度基本一致，曲線(xiàn)的走向趨勢(shì)大致吻合，即仿真與實(shí)驗(yàn)擬合度較高，說(shuō)明通過(guò)放置散熱隔板可以使得單體電池溫度分布更加均勻化，從有利于解決鋰電池模組間熱量不均勻的問(wèn)題。

5 結(jié)論

以湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院FSAC賽車(chē)動(dòng)力電池為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)冷與相變材料結(jié)合的復(fù)合冷卻技術(shù)。自然對(duì)流下，電池在高倍率放電時(shí)溫度急劇上升，極柱與單體電池之間溫差較大。隨著放電倍率的增大，電池的生熱速率不同，銅排與極柱產(chǎn)熱量急劇上升；散熱器的各項(xiàng)參數(shù)通過(guò)優(yōu)化，單體電池最大溫度可以降低至31 ℃，相比于優(yōu)化前降低了7 ℃，復(fù)合冷卻優(yōu)化對(duì)于電池模組的散熱效果具有一定作用；放置散熱隔板后單體電池溫度降低至29 ℃，單體電池之間最大溫差為2 ℃，一定程度上解決了動(dòng)力電池高倍率產(chǎn)熱問(wèn)題。

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