摘要：為延長(zhǎng)電池使用壽命，提高電池安全性，需要對(duì)電池進(jìn)行熱管理。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾?/a>系統(tǒng)在理論分析、仿真建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，綜合考慮了電池產(chǎn)熱原理、產(chǎn)熱模型、發(fā)熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，并對(duì)工程樣機(jī)熱管理有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

當(dāng)前，整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展。電池是電動(dòng)汽車核心部件，電池的熱特性對(duì)整車性能、安全性、壽命及使用成本產(chǎn)生關(guān)鍵影響。

配置電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是改善電池組熱特性關(guān)鍵措施之一，系統(tǒng)熱管理功能包括：(1)在電池溫度較高時(shí)進(jìn)行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充放電性能和安全性；(3)減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫電池過(guò)快衰減而降低電池組整體壽命[1]。

電池?zé)峁芾戆凑漳芰刻峁┑膩?lái)源分為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻，其中只利用周圍環(huán)境冷卻的方式為被動(dòng)式冷卻。隨著國(guó)家對(duì)電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，被動(dòng)式的自然冷卻技術(shù)已經(jīng)不能滿足電池散熱要求。當(dāng)前主要的主動(dòng)式熱管理形式有空氣強(qiáng)制對(duì)流熱管理、液體熱管理、熱管熱管理和相變材料熱管理等，而液體熱管理受到越來(lái)越多廠商的青睞[2-4]，特別是國(guó)外車企對(duì)于液體熱管理技術(shù)研究起步早，已經(jīng)取得了一定成果，國(guó)內(nèi)還處于研究探索階段。公眾號(hào)-新能源電池?zé)峁芾怼?/span>

TeslaMotors公司的Roadster純電動(dòng)汽車采用了液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內(nèi)部流動(dòng)，傳輸電池產(chǎn)生的熱量。報(bào)告顯示在行駛約16萬(wàn)公里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數(shù)明顯相關(guān)，而與環(huán)境溫度、車齡關(guān)系不明顯[1,5]。

奧迪的A3油電混合動(dòng)力車，內(nèi)部搭載有8個(gè)模塊共計(jì)96個(gè)能量存儲(chǔ)單元。其熱管理同樣采用的是液冷式方案，在兩個(gè)電池模塊中間配備一塊冷板，將兩個(gè)緊鄰電池模塊中部累積的熱量通過(guò)冷板迅速傳導(dǎo)出來(lái)，從而有效控制整體溫升以及整個(gè)模塊的溫度一致性。

通用汽車公司的Volt插電式混合動(dòng)力汽車使用了288只45Ah的層疊式鋰離子電池。熱管理系統(tǒng)采用了液冷式設(shè)計(jì)方案，單體電池間隔布置了金屬散熱片(厚度為1mm)，散熱片上刻有流道槽，冷卻液在流道槽內(nèi)流動(dòng)并帶走熱量。在低溫環(huán)境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2℃以內(nèi)，有力地支持了8年的電池組壽命保證期。

為了開(kāi)發(fā)高效液體熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了基于液體熱管理電池組的CFD仿真、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。

1 、電池產(chǎn)熱模型

一般而言，鋰離子電池中包括5種熱源，分別為：不可逆熱阻生熱、可逆熵?zé)帷⒒旌蠠帷⑾嘧儫岷头磻?yīng)熱。Bernardi和Newman從電池能量守恒出發(fā)，認(rèn)為電池內(nèi)部熱量是均勻產(chǎn)生的，第一次提出了鋰離子電池?zé)嵘陕实囊话惚磉_(dá)式。在鋰離子電池中，反應(yīng)熱和相變熱較其他幾個(gè)熱源小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，通常忽略不計(jì)[6-10]，因此熱生成率的表達(dá)式為：

式中：U為電池開(kāi)路電壓；I為電池電流；V為電池負(fù)載電勢(shì)。以上三項(xiàng)分別表示不可逆內(nèi)阻熱、可逆熵?zé)岷突旌蠠帷?/span>

隨后Thomas和Newman證實(shí)，在電池的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果減小極化濃度差，混合熱也可以忽略不計(jì)，式(1)可以簡(jiǎn)化為：

式中：r為電池密度；Cp為比熱；ki為電池在i方向上的導(dǎo)熱系數(shù)(i=x、y、z)；q為熱生成率；qcon為散熱率。

通過(guò)上述模型可以得到電池的熱生成率、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)，為熱管理設(shè)計(jì)和仿真分析奠定基礎(chǔ)。

2、液冷模式電池熱管理設(shè)計(jì)

2.1、系統(tǒng)組成

基于液體的熱管理系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池冷卻和加熱，系統(tǒng)主要包括液冷板、管路、低溫散熱器、電池冷卻器、冷卻液循環(huán)泵、PTC水加熱器、水箱以及冷源等。其中低溫散熱器、電池冷卻器、循環(huán)水泵、PTC水加熱器和整車熱管理系統(tǒng)集成或者集成于獨(dú)立冷源，公眾號(hào)-新能源電池?zé)峁芾?/span>。

2.2、系統(tǒng)原理

基于液體的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砭唧w工作原理如圖1所示。

電池包不需要冷卻時(shí)(如電池包內(nèi)溫度25℃)，則不啟動(dòng)制冷系統(tǒng)和電池包液冷系統(tǒng)。

低溫散熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度不高(如10℃)，電池包內(nèi)部溫度較高(如35℃)時(shí)，暫不用開(kāi)啟空調(diào)壓縮機(jī)，通過(guò)循環(huán)泵使冷卻液在液冷系統(tǒng)循環(huán)，帶走電池?zé)崃浚罱K熱量通過(guò)低溫散熱器散發(fā)，從而達(dá)到對(duì)電池包的降溫的目的。

高溫散熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度較高(如40℃)，電池包內(nèi)部溫度較高(如45℃)時(shí)，此時(shí)溫差較小，如果只通過(guò)低溫散熱循環(huán)來(lái)冷卻電池包比較困難，所以關(guān)閉低溫散熱器的冷卻回路。開(kāi)啟制冷系統(tǒng)，此時(shí)電池冷卻器可以看作蒸發(fā)器，吸收冷卻液(乙二醇水溶液)熱量，冷卻液降溫后進(jìn)入冷板對(duì)電池包進(jìn)行冷卻。

加熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，需要開(kāi)啟加熱裝置，循環(huán)水泵，關(guān)閉低溫散熱回路和制冷系統(tǒng)，通過(guò)加熱裝置加熱乙二醇水溶液，輸送到冷板對(duì)電池包進(jìn)行加熱。

根據(jù)上述產(chǎn)熱模型計(jì)算出電池的發(fā)熱功率，并結(jié)合系統(tǒng)組成和工作原理得到所需換熱面積和冷卻液流量，然后進(jìn)行液體熱管理冷板和管路設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

3、基于液體熱管理系統(tǒng)仿真分析

3.1、液體熱管理系統(tǒng)流場(chǎng)仿真分析

使用CFD軟件對(duì)液體熱管理系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，當(dāng)冷卻液流量為12L/min時(shí)，系統(tǒng)冷板及管路的仿真壓力云圖和速度云圖如圖3和圖4所示。分析結(jié)果表明，冷卻液進(jìn)出口壓差為51kPa較為合理，整個(gè)流場(chǎng)流速分布均勻，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2、快充冷卻性能仿真

設(shè)定快充冷卻過(guò)程仿真分析邊界條件及初始條件：環(huán)境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進(jìn)水溫度15℃，快充倍率1.5C，發(fā)熱功率1978W，快充30min后充電倍率跳轉(zhuǎn)至0.3C，發(fā)熱功率為828W。仿真結(jié)果如圖5所示。整個(gè)充電過(guò)程最高溫度44.5℃，充電結(jié)束時(shí)，上極柱最高溫度為31℃，下極柱最低溫度為23℃，溫差8℃。

3.3放電冷卻性能仿真

設(shè)定放電冷卻過(guò)程仿真分析邊界和初始條件：環(huán)境溫度40℃，冷卻液流量12L/min，進(jìn)水溫度15℃，放電倍率1C，發(fā)熱功率1407W。仿真結(jié)果如圖6所示。整個(gè)放電過(guò)程電池最高溫度42℃，放電結(jié)束時(shí)，上極柱最高溫度為34℃，下極柱最低溫度為25℃，溫差9℃。

3.4加熱性能仿真

設(shè)定低溫加熱過(guò)程仿真分析邊界條件：環(huán)境溫度-20℃，冷卻液流量12L/min，進(jìn)水溫度35℃，當(dāng)最低溫度達(dá)到15℃后停止加熱。仿真結(jié)果如圖7所示。整個(gè)過(guò)程電池最高溫度30℃，充電結(jié)束時(shí)，上極柱最高溫度為23.5℃，下極柱最低溫度為15℃，溫差8.5℃。

4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1)實(shí)驗(yàn)條件(環(huán)境溫度、濕度、壓強(qiáng)等)實(shí)驗(yàn)過(guò)程環(huán)境溫度-30～40℃，濕度30%～50%，壓強(qiáng)101.325kPa。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備(實(shí)驗(yàn)用的測(cè)試設(shè)備、計(jì)量器具等)實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需設(shè)備具體情況如表1所示。

4.2、實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)在天津中國(guó)汽車技術(shù)研究中心進(jìn)行，主要是對(duì)

所研發(fā)的基于液體的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻和加熱性能進(jìn)行測(cè)試，為系統(tǒng)優(yōu)化和驗(yàn)證模擬精度奠定基礎(chǔ)，公眾號(hào)-新能源電池?zé)峁芾?/span>。

系統(tǒng)流阻測(cè)試通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)出水口壓力獲得，冷板表面溫度通過(guò)在冷板表面粘貼熱電偶得到；在系統(tǒng)冷卻性能測(cè)試中電池溫度通過(guò)集成在電源系統(tǒng)內(nèi)的溫度采集點(diǎn)上傳至BMS獲得。具體實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)表2。

4.3、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置

為了解系統(tǒng)性能，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更好匹配和優(yōu)化，需要對(duì)系統(tǒng)不同部位的溫度檢測(cè)。具體的測(cè)點(diǎn)布置情況如圖8所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖9所示。

4.4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分析電池包溫度特性，從而評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。

4.4.1、基于液體熱管理系統(tǒng)流阻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)流阻為48kPa，相比模擬的51kPa，誤差在6%，在允許范圍內(nèi)。模擬精度可以滿足設(shè)計(jì)。

4.4.2、快充冷卻性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將含有液體熱管理的電源系統(tǒng)置于步入式高低溫箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)高低溫箱溫度為40℃，相對(duì)濕度50%。當(dāng)電池溫度達(dá)到35℃后，通過(guò)充放電設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)以1.5C進(jìn)行充電，同時(shí)開(kāi)啟液體熱管理系統(tǒng)，對(duì)電池進(jìn)行冷卻，當(dāng)SOC達(dá)到80%以后，充電倍率跳轉(zhuǎn)至0.3C至電池充滿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。隨著充電進(jìn)行，電池溫度先升高后降低，最高溫度為42℃，充電結(jié)束電池最高溫度為36℃，最低溫度為29℃，溫差7℃。相比模擬結(jié)果，最高溫度模擬精度為5.6%，充電結(jié)束溫度模擬精度為14%，溫差精度在12.5%，基本可以指導(dǎo)熱管理設(shè)計(jì)。

4.4.3放電冷卻性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將含有液體熱管理的電源系統(tǒng)置于步入式高低溫箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)高低溫箱溫度為40℃，相對(duì)濕度50%，當(dāng)電池溫度達(dá)到40℃后，通過(guò)充放電設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)以1C進(jìn)行放電，同時(shí)開(kāi)啟液體熱管理系統(tǒng)，對(duì)電池進(jìn)行冷卻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。隨著放電進(jìn)行，電池溫度先升高后降低再升高，整體趨勢(shì)較平穩(wěn)，最高溫度為40.7℃，充電結(jié)束電池最高溫度為40℃，最低溫度為32℃，溫差8℃。相比模擬結(jié)果，最高溫度模擬精度為3.1%，充電結(jié)束溫度模擬精度為15%，溫差精度在12.5%，基本可以指導(dǎo)熱管理設(shè)計(jì)。

4.4.4加熱性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將含有液體熱管理的電源系統(tǒng)置于步入式高低溫箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)高低溫箱溫度為-20℃，相對(duì)濕度50%。當(dāng)電池溫度達(dá)到-20℃后，同時(shí)開(kāi)啟液體熱管理系統(tǒng)，對(duì)電池進(jìn)行加熱，進(jìn)水溫度35℃；當(dāng)電池最低溫度達(dá)到-5℃時(shí)，通過(guò)充放電設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行充電，當(dāng)電池溫度達(dá)到15℃后加熱停止，繼續(xù)充電至充滿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。隨著加熱進(jìn)行，電池溫度先升高后降低，充電結(jié)束電池最高溫度為24℃，最低溫度為16℃，溫差8℃。相比模擬結(jié)果，最高溫度模擬精度為2.1%，充電結(jié)束溫度模擬精度為6.25%，溫差精度在6.25%，模擬精度可以滿足熱管理設(shè)計(jì)。

5 、結(jié)論

(1)通過(guò)建立鋰離子電池?zé)崮Ｐ停O(shè)計(jì)基于液體的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

(2)通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的液體熱管理系統(tǒng)流場(chǎng)、不同充放電倍率下電池溫度和加熱工況下電池溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)液體熱管理系統(tǒng)的合理性，可將電池溫度控制在45℃以內(nèi)，滿足電池工作范圍需求。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于液體的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，同時(shí)也驗(yàn)證了仿真精度，特別是對(duì)產(chǎn)熱模型的修正，也需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證。

(4)所設(shè)計(jì)的基于液體的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在40℃高溫1.5C充電工況下，可控制電池溫度45℃以內(nèi)，充電結(jié)束電池最高溫度在29～36℃；40℃高溫1C放電工況下，可控制電池溫度40℃以內(nèi)，充電結(jié)束電池最高溫度在32～40℃；加熱過(guò)程，電池溫度先升高后降低，充電結(jié)束電池最高溫度為24℃，最低溫度為16℃，溫差8℃。

免責(zé)聲明：文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)（陳通,孫國(guó)華,王明強(qiáng)等.基于液體的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能研究[J].電源技術(shù),2019,43(04):658-661.），僅供學(xué)習(xí)交流分享，版權(quán)歸原作者所有，如果侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們予以刪除

編者注：

文章中：冷卻液流量為25L/min,溫度為25 ℃,環(huán)境溫度為27 ℃或40 ℃；這只是入門級(jí)別的仿真，并沒(méi)有考慮整車真實(shí)情況，即：一般的換熱需要通過(guò)chiller進(jìn)行換熱，無(wú)法滿足一開(kāi)始就恒定定進(jìn)口25℃的條件；

正確的方法是：設(shè)置一個(gè)目標(biāo)水溫=20℃，限制一個(gè)直冷功率KW；如下圖所示：

文章來(lái)源：新能源電池?zé)峁芾?/p>