某車用鋰離子動力電池組冷卻系統仿真及優化

徐志龍 朱曉瓊 田玉冬 吳旭陵 余 萬

(1. 上海理工大學 機械工程學院， 上海 200093； 2. 上海汽車集團股份有限公司 商用車技術中心， 上海 200940； 3. 三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌 443002)

動力電池是電動汽車的心臟，是電動汽車的動力之源[1-2]．隨著國家相關政策對電動汽車續航里程、安全性能和電池能量密度要求的提升，對電動汽車的熱管理技術提出了越來越嚴峻的挑戰[3-4]．常用的動力電池散熱方式有空氣冷卻，液體冷卻，制冷劑直接冷卻以及相變材料冷卻等．空氣冷卻結構簡單，成本低，但散熱性能較差；液體冷卻技術成熟，冷卻效果較好，目前應用廣泛；直接冷卻效果較好，但制冷劑分配較難，目前應用較少；相變材料冷卻成本較高，目前應用尚不普及[5-8]．本文采用液體冷卻方式．

以某電芯廠生產的動力電池模組為研究對象，通過仿真分析了水平路面90 km/h勻速工況下電池的發熱量以及溫度場的分布，并結合試驗研究了電池測試過程中的溫感布置方式和實測電芯溫度，并基于實驗結果，對電池冷卻系統進行了優化，改善了散熱效果，加快了此種型號電池箱市場化的進程．

1 電池箱結構及其模型建立

1.1 電池箱體結構

研究對象為某公司生產的三元鋰離子電池，電池箱體為L型，下箱體內采用集成式液冷板，其上安裝4個模組，如圖1所示．電池成組相關參數見表1．

圖1 鋰離子電池箱結構示意圖

模組數量電芯數量單電芯電壓/V成組方式額定電壓/V額定電量/Ah箱體材質4個96個3.72P96S35526鑄鋁

每個模組都由多層材料組成，依次為導熱硅膠墊、電芯、框架泡棉、電芯、導熱硅膠墊、鋁制導熱片．其中框架泡棉主要起固定和緩沖作用，鋁導熱片主要用于增強模組的縱向導熱能力，導熱硅膠墊用于使電芯和鋁導熱片緊密接觸．

1.2 電池組的能量平衡

由傅里葉定律和能量守恒，可得出電池的三維非穩態導熱微分方程為[9]：

(1)

式中，ρ為密度，τ為時間，c為比熱容，Φ為內熱源強度，x、y、z分別為x、y、z三個方向的熱導率．對于動力電池而言，其內熱源的生成熱的大小是求解溫度場分布的關鍵．

鋰離子電池的最佳工作溫度為20～45℃，電池內部的產熱量主要包括：焦耳熱Qj、極化熱Qp、反應熱Qr和副反應熱Qs[10]，即

Q=Qj+Qp+Qr+Qs(2)

由于鋰離子電池只有在過充或過放的情況下才會發生副反應，在實際工作過程中會避免此種現象的發生，因此Qs可以忽略不計[11]．電池內部的焦耳熱是電池產熱的主要來源，由焦耳定律可得：

Qj=I2Re(3)

式中，I為充放電過程中的電流大小(A)；Re為電池的內阻(Ω)．

鋰離子電池在反應過程中會伴隨著鋰離子的移動，在此過程中會產生(放電)或吸收(充電)大量的熱量，Qr可以通過式(4)計算：

(4)

式中，N表示電池數量；I為當前工況下的電流(A)；m為電極質量(g)；M為摩爾質量(g/mol)；q表示電化學反應(J)；F為法拉第常數，96 484.5 C/mol．

鋰離子電池在一定倍率充放電的過程中會產生極化內阻，當電流通過時會產生極化熱，其計算公式為：

Qp=I2Rp=I2(RΩ+Rn+Rd) (5)

式中，Rp為極化內阻阻值，RΩ為歐姆極化內阻，Rn為濃差極化造成的內阻，Rd為電化學極化內阻，單位均為Ω．

1.3 電池組的有限元模型

為縮短計算時間、保證網格質量，在不影響計算精度的前提下，在網格劃分前對電池模組進行適當的簡化處理，模組僅保留電芯、導熱墊和導熱翅片，采用Hypermesh將模組劃分為六面體網格，網格數量為608萬個．電池箱中各材料屬性見表2．

表2 電池箱材料屬性

為簡化計算過程，假定電池箱中每塊方型電芯的工作性能一致，不考慮電池組因受熱而導致的變形，且流體為不可壓縮物質．利用FLUENT軟件進行仿真分析，冷卻液的流動類型選擇標準k-ε湍流模型，將流體和固體相接觸的界面設置為耦合傳熱邊界．設定電動汽車以90 km/h的速度在水平道路上勻速行駛，環境溫度30℃，冷卻液入口溫度12℃，流量12 L/min．單電芯經實驗測得發熱量為10.5 W，xx、yy、zz3個方向的導熱系數分別為1 W/(m·K)，32.5 W/(m·K)和32.5 W/(m·K)．

1.4 實驗方案

實驗的電池箱共包含4個電池模組，每個模組包含24塊電芯，電芯按照圖2所示箭頭方向進行編號．模組1、2從左至右電芯編號為從1～24；模組3、4從上到下電芯編號為1～24．每塊模組選擇其中3塊電芯檢測溫度，每個電芯上布置6個監測點，監測點位置分布如圖3所示．

圖2 電芯編號示意圖

圖3 電芯監測點位置分布圖

溫感布點共102個，分為電芯級、模組級、水冷板和pack級，具體溫感分布數量及布點電芯編號見表3．

表3 溫感分布數量

為驗證數學模型和仿真結果的準確性，在3種工況下進行了實驗驗證．實驗中車速為90 km/h，冷卻液入口溫度為12℃．實驗1中環境溫度為20℃，水泵流量為12 L/min，此時壓縮機不工作，冷卻液在冷卻系統中自循環，也即冷卻液吸收電池產生的熱量，在水冷板中未與制冷劑換熱，冷卻液未被冷卻．實驗2、3中環境溫度為30℃，壓縮機轉速為1 500 r/min，水泵流量分別為6.7 L/min和12 L/min．

2 結果與分析

2.1 電池組溫度場仿真結果

仿真計算時在每個模組上分別設置1個監測點，共4個，用以監測電芯的溫度變化，電池各模組溫度溫升曲線如圖4所示．

圖4 電池組各模組溫升曲線

由仿真結果可得，電池組的最高溫度為49.2℃，最低溫度為34.8℃，最大溫差為14.4℃，4個監測點的溫度分別為：38.6℃、44.9℃、43.7℃、49.2℃，電池組溫度均勻性較差．電池組1與2的溫度場分布基本相同，電池組3與4的溫度場分布基本相同．

2.2 電池組溫升的實驗結果

圖5給出了在不同實驗工況下的電芯監測點的溫升曲線．從圖5可以發現，在不同的實驗工況下，電芯的溫升有較大的分別．在3種實驗條件下，電芯的最高溫度分別為48.6℃、47.6℃和47.2℃，最低溫度分別為36.8℃、36.5℃和36.0℃．對比實驗1、3可發現當液冷系統冷卻液工作但壓縮機側不工作時電芯溫升范圍較大為18～29.8℃，壓縮機側工作時電芯溫升較小為7.7～18.8℃，可見液冷系統及制冷劑側工作狀態對整個電池系統散熱效果較明顯；對比實驗1、3可發現，雖然水冷系統能降低電池的整體溫升，但是對于降低電芯間的溫差效果不明顯；對比實驗2、3可發現，冷卻液流量變動對電池散熱系統影響不明顯．

圖5 試驗溫升記錄曲線

2.3 電池組溫升的實驗結果與仿真結果的對比

表4給出了電池組的最高溫度、最低溫度、4個監測點的溫度的實驗值和仿真值．通過仿真與實驗對比可得，仿真溫度與試驗溫度存在一定程度的誤差，但是溫升趨勢基本吻合，試驗與仿真之間產生的誤差是由于在仿真時將單體電池視為均勻的生熱源，沒有考慮到放電時單體電池內各部位由于隨著荷電狀態的變化其化學反應產生的熱量也不同，即單體電池在一定程度上具有溫度不均勻性，因此勢必會產生一定的誤差．但總體而言，采用本文的仿真計算方法所得的結果基本符合實際情況．

表4 仿真與實驗結果對比表 (單位：℃)

3 電池箱體結構優化

為獲得更好的散熱效果，本文對電池箱體進行了優化，給出了3種方案．

3.1 水冷板流道優化

由以上仿真和實驗結果可得，采用液冷效果較為明顯，在90 km/h勻速工況下電芯溫度均能維持在50℃以內，但是電芯之間的溫差較大．電池箱體采用L型結構，冷卻流道內部及流向如圖6(a)所示．目前所采用的流道結構無法使冷卻液流過全部區域，經過對仿真和試驗數據的分析，這些區域溫差較大．為提高電芯與電芯之間以及為模組間的溫度一致性，將對液冷板的流道進行結構優化．考慮到電池箱體輕量化的要求，暫不能對電池箱體進行過大更改，優化將在現有箱體結構的基礎上進行，將最下方的主流道分解成3個小流道，使冷卻液能夠逐個流過整個箱體，如圖6(b)所示．

圖6 水冷板流道示意圖

3.2 導熱材料的優化

由前所述，電池組中每兩塊電芯放置一塊0.5 mm的鋁導熱片和一塊0.3 mm的硅膠墊，用于將電芯熱量更快地傳至液冷板，簡稱優化方案1．仿真和試驗結果表明電芯上下溫差較大，熱量從電芯上部傳至液冷板的環節熱阻較大．為了減小電芯上下溫差，本文擬通過減小該環節熱阻來進一步優化傳熱路徑．模組其他結構不變，采用導熱系數比鋁大的相同厚度銅導熱墊片，優化結構簡稱優化方案2，將方案1和方案2耦合后的結構簡稱優化方案3．

3.3 優化結果分析

表5給出了優化后的電池組的溫升情況．

表5 優化方案與原始方案對比表

從表5可以發現：優化方案1的最大溫差為9.3℃，較原始方案下降了5.1℃，說明此優化方案提高了電池間的溫度均勻性；優化方案1最高溫度較原始方案下降了4.8℃，最低溫度上升了0.3℃，說明方案1的流道結構較原始方案帶走了更多的熱量，在控制電池組溫升上效果比原始方案顯著；優化后的流道采用多通道，并且在流道拐角處的直角改變成圓弧形，降低了沿程阻力，減少了能量消耗；由于優化后的流道流經全部模組區域，所以監測點3、4的溫度顯著下降，提高了模組間的溫度均勻性．

優化方案2最大溫差為12.5℃，與原始方案相比整體溫差下降不太明顯；同時各個電芯豎直方向上的溫差較原始方案大大降低，這是因為導熱系數更高的銅導熱片降低了豎直方向上熱阻的原因．

3.4 優化后水冷板和銅導熱片的耦合

優化方案1降低了模組的整體溫差，但對改善電池單元豎直方向上溫度均勻性效果不明顯，優化方案2降低了豎直方向上的熱阻，從而提高了該方向上的溫度均勻性．本節考慮將方案1和方案2進行耦合．耦合后的結構簡稱優化方案3．優化模型后的仿真分析時的環境溫度、初始邊界條件與優化前的仿真參數完全一致．結果表明采用方案3后，電池組的最高溫度和最低溫度分別為39.3℃、31℃，最大溫差為8.3℃．較方案1、2冷卻效果以及電池單元間的溫度均勻性有了較大提高，冷卻系統壓降也有所降低，該系統已滿足電動汽車電池對溫度的要求．

4 結 論

1)本文通過實驗得到了電動汽車在90 km/h勻速行駛工況下不同環境溫度下的溫升曲線；研究發現未進行散熱系統優化的電池箱溫升較大，電芯之間溫度均勻性較差．

2)通過對實驗3工況下的仿真對比，驗證了實驗的準確性以及仿真的精度．

3)通過對增加分支流道、更換銅導熱墊片優化，以及兩者耦合的優化方案的仿真，分析了不同方案的優化效果，為工程優化提供了參考方向．