混合動力汽車用鋰電池組冷卻系統(tǒng)研究

史曄 朱建新 陳小丹 喜冠南

摘 ?要： 熱均衡性對于提高鋰電池組的工作特性和使用壽命至關(guān)重要。針對某型號鋰電池組，對其充放電發(fā)熱特性進行研究，并設計一套非直接接觸式液體冷卻方案。建立三維模型，用Star CCM+軟件進行充放電工況下CFD仿真模擬，得到電池組的溫度場分布，對設計方案進行優(yōu)化，并進行相應試驗驗證。試驗和仿真結(jié)果具有很高的一致性。結(jié)果表明，設計的冷卻系統(tǒng)在目標工況條件下，始終能保持整包溫度低于40 ℃，溫差小于5 ℃，可有效防止熱失控，使鋰電池始終工作在理想溫度，滿足設計要求。

關(guān)鍵詞： 新能源汽車; 鋰電池; 冷卻系統(tǒng); 結(jié)構(gòu)設計; CFD仿真; 熱均衡試驗

中圖分類號： TN6?34; U469.72+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）11?0121?04

Abstract： The thermal equalization is very important to improve the working characteristics and service life of lithium battery pack. The thermal characteristics of a certain type of lithium battery pack while charging or discharging are studied， and an indirect contact liquid cooling scheme is designed. The three?dimensional model was established. The Star CCM+ software is used to perform the CFD simulation under charge and discharge conditions. The temperature field distribution of the battery pack is obtained， the design scheme is optimized and verified with corresponding experiments. The results of simulation and experiment have high accordance. The results show that the designed cooling system working at target condition can keep the whole package temperature under 40 ℃ and the temperature difference lower than 5 ℃， which can effectively prevent the thermal runaway and make the lithium battery work at the ideal temperature range， and meet the design requirements.

Keywords： new energy vehicle; lithium battery; cooling system; structural design; CFD simulation; thermal equalization experiment

0 ?引 ?言

近年來，新能源汽車以其越來越優(yōu)越的性能，以及其在能源、環(huán)境方面的巨大優(yōu)勢，已經(jīng)成為各大車企和科研單位研究的重點[1?2]。而動力電池作為新能源汽車的重要組成部分，其工作時的穩(wěn)定性和安全性直接影響到新能源汽車的使用性能[3?4]。目前，鋰電池由于其超高的能量密度，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛酸電池和鎳氫電池[5]。同時，鋰電池在高溫區(qū)域表現(xiàn)較差[6?7]，長時間工作在高溫環(huán)境下將嚴重影響電池使用性能和壽命，甚至帶來安全隱患，因此需要對其進行冷卻系統(tǒng)設計。本文針對某款混動汽車用鋰電池組的冷卻問題，設計非接觸式液體冷卻系統(tǒng)。首先建立冷卻系統(tǒng)的三維模型，應用CFD仿真軟件對其溫度場進行理論計算和仿真模擬，并結(jié)合試驗，驗證此冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，為方形鋰電池組冷卻系統(tǒng)的設計提供一種切實可行的方案。

1 ?電池組冷卻系統(tǒng)設計

1.1 ?電池冷卻系統(tǒng)布局

該電池組由96個三元鋰電池電芯串聯(lián)而成，每12個電芯組成一個VDA模組，排列方式為平鋪，共有8個VDA模組。電池組采用非直接接觸式液冷方式，冷卻液為50%的乙二醇水溶液，電池組內(nèi)冷卻系統(tǒng)主要由進出水口（三通口）、進水管、出水管、鋁合金液冷板和導熱硅膠墊組成。鋁合金液冷板位于電芯底部，冷卻液在液冷板中的流動方向如圖1所示。

圖1 ?電池冷卻系統(tǒng)布局

1.2 ?電池組溫度場理論模型

電池組溫度場熱傳遞如圖2所示。冷卻液與鋁合金液冷板間的熱傳遞形式為對流換熱，鋁合金液冷板與導熱硅膠墊、導熱硅膠墊與電芯之間的熱傳遞形式為熱傳導。

圖2 ?熱傳遞示意圖

2 ?冷卻系統(tǒng)仿真分析

2.1 ?邊界條件

根據(jù)新歐洲行駛工況（New European Driving Cycle，NEDC），電池組平均充放電功率約為38.8 kW，平均有效電流約為57 A，單體電池直流內(nèi)阻約為2 mΩ，計算得電池組平均發(fā)熱功率約為649.8 W;電池包初始溫度設為40 ℃。根據(jù)電池組溫度場理論模型計算，冷卻液入口溫度設為25 ℃，冷卻液流量設為10 L/min。電池模型分為電池、側(cè)板、端板、導熱硅膠墊、液冷板五個部分，其中電芯內(nèi)核為各向異性材料，冷卻液與鋁合金液冷板、鋁合金液冷板與導熱硅膠墊、導熱硅膠墊與電池之間為耦合換熱，電芯和鋁合金液冷板其余部位與箱體內(nèi)空氣自然對流換熱，箱體與外部環(huán)境自然對流換熱。模型各部分材料物性參數(shù)見表1。

表1 ?模型各部分材料物性參數(shù)

2.2 ?仿真結(jié)果分析

不同截面的溫度場圖如圖3所示，沿著冷卻液流動方向，冷卻液不斷帶走電池模組傳導至液冷板的熱量，模組的溫度不斷升高，這是造成電池模組溫度不均的主要原因。在圖3中，為了反映各單體電池之間的溫差，模擬得到了整個模組的溫度場云圖（見圖3a））、電池組頂端（見圖3b））、底端監(jiān)測面溫度場（見圖3c））。經(jīng)分析，在頂端監(jiān)測面上，最高溫度約為32.1 ℃，最低溫度約為28.7 ℃，溫差為3.4 ℃;在底端監(jiān)測面上，最高溫度約為26.7 ℃，最低溫度約為30.7 ℃，溫差為4 ℃。整個電池包最高溫度為32.1 ℃，最低溫度為26.7 ℃，整包溫差為5.4 ℃。對于整包而言，溫差在5 ℃左右;對于不同電池模組的同一位置，溫差在4 ℃以內(nèi);并且整包溫度遠低于45 ℃的設計目標，因此，此冷卻系統(tǒng)能夠較好地滿足電池組的散熱要求。

圖3 ?不同截面的溫度場圖

3 ?電池組溫度場試驗驗證

3.1 ?試驗設備及溫度布點方案

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，需要得到相應實際工況下電池組溫度場分布情況，這就需要對電池組進行熱均衡試驗。參照電池組溫度場仿真過程中建立的監(jiān)測截面位置，并且溫度采樣點的布置應盡量避免對傳熱過程產(chǎn)生影響，擬定在電池組表面分布16個T型熱電偶（精度為±0.5 ℃），由于電池模組頂面溫度高于底面溫度，因此選取模組頂面為監(jiān)測面，每個模組頂面各布置2個熱電偶，熱電偶布置如圖4所示。電池組溫度采樣設備為日置LR8401數(shù)據(jù)記錄儀，電池組充放電設備為Digatron BTS?600。

圖4 ?熱電偶布點位置

3.2 ?試驗方法

電池組溫度測試試驗平臺如圖5所示，完成試驗平臺搭建后，開啟充放電設備對電池組進行充電，使其溫度升高至40 ℃時，開啟水冷箱，設置冷卻液入口溫度為25 ℃，流量設為10 L/min，電池組開始放電，有效電流設為57 A。待溫度達到熱平衡后，停止試驗，導出數(shù)據(jù)，分析電池組溫度場，驗證模擬結(jié)果的準確性，并檢驗所設計電池包冷卻系統(tǒng)的冷卻性能。

圖5 ?試驗平臺

3.3 ?試驗結(jié)果分析

圖6a）為電池放電時有效電流為57 A工況下，試驗過程中采集的各個熱電偶溫度隨時間變化的曲線。圖6b）為試驗基本達到熱平衡時，電池組溫度場基本穩(wěn)定后各溫度采樣點的采集溫度。

圖6 ?試驗工況下電池組溫度分布

如圖6所示，在試驗工況下，電池組溫度場分布比較均勻。從圖6a）可以看出，充電時未對電池組進行冷卻時，電池組溫度不斷升高，9 000 s左右達到試驗預設溫度40 ℃;對電池組進行冷卻后，雖然電池組在進行大電流放電，但電池組整體溫度不斷下降，15 000 s左右達到溫度平衡。從圖6b）可知，溫度最高點為6號模組2采樣點，為35.5 ℃，溫度最低點為7號模組1采樣點，溫度為31.5 ℃，電池組各監(jiān)測點總溫差為4 ℃，單個電池模組內(nèi)最大溫差為2 ℃。由上可得，仿真數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果有很好的一致性。在放電過程中，冷卻系統(tǒng)能夠使電池組在合理的溫度區(qū)間工作，并使溫度場保持較好的一致性，滿足電池組散熱要求。

4 ?結(jié) ?論

本文針對某型號鋰電池組，根據(jù)其充放電發(fā)熱特性設計其冷卻系統(tǒng)。首先建立了電池組溫度場理論計算模型，采用CFD軟件進行仿真模擬，得到穩(wěn)態(tài)溫度場分布情況;然后進行電池組熱平衡充放電試驗，得到試驗工況下的溫度場分布特點。結(jié)果表明，電池組在充電至40 ℃后放電，在目標充放電工況下仍能有良好的冷卻表現(xiàn)，電池整包溫度低于40 ℃，電池模組總溫差小于5 ℃，說明設計的電池包在惡劣工況下仍然能夠?qū)﹄姵匕M行有效冷卻，防止發(fā)生熱失控。

注：本文通訊作者為喜冠南。

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