電動汽車動力電池熱管理系統溫控性能研究

丁毅，孫梓健

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

面對環境污染、能源危機的挑戰，新能源汽車迎來了重要發展期。發展電動汽車，關鍵在于動力電池。目前，鋰離子動力電池因其具有比能量大、循環壽命長、無記憶效應等優點，已在車用電池領域得到廣泛運用[1]。但電動汽車在實際行駛過程中，動力電池會產生較大的熱量，如果散熱條件惡劣，熱量便會迅速堆積，加速電池內部有害化學反應速率，增大電池容量的衰減，嚴重時甚至導致燃燒、爆炸等安全事故[2]。

目前電池熱管理系統主要包括采用空氣介質、液體介質和采用相變材料介質的熱管理系統[3]。隨著國家對電池能量密度、安全性、使用壽命以及快充要求的不斷提高，采用空氣介質的熱管理系統已經不能滿足當前的熱管理需求[4]，采用相變材料介質的熱管理系統由于成本過高，結構復雜等原因使用較少[5-7]，采用液體介質的熱管理系統受到越來越多廠商的青睞[8-10]。國內外針對基于液體介質的電池熱管理系統性能進行了大量研究，徐曉明等[11]實驗驗證了電池組采用基于兩進兩出流道液冷方式的散熱特性，結果表明，冷板液冷方式能很好地滿足散熱要求。雪佛蘭Volt電動車在底特律舉辦的北美國際汽車展上大方光彩，其鋰離子電池組容量達到16 kW·h，所采用的鑲嵌式液冷系統設計精良，實際使用說明此液冷系統散熱性能良好[12]。上述研究表明，目前的研究大多集中于電池冷卻，而對電池低溫加熱這一重要問題研究較少，嚴寒條件下電動汽車啟動是電池熱管理系統不可避免的一個問題，有必要進行相關的研究。

本文針對某商用112.5 Ah三元鋰電池所組成的電池模組，采用國內常用的基于液體介質的電動汽車動力電池熱管理系統，研究了冷卻、加熱兩種工況下電池模組的溫度分布，為以后熱管理系統優化提供一些參考。

1 計算模型及方法

1.1 方案簡介

目前市面上越來越多的電動汽車采用基于液體介質的電池熱管理系統，本文采用電動汽車上較為常見的口琴管熱管理方案。在電動汽車正常行駛過程中，電池產生的熱量傳遞至上、下表面口琴管內部液體介質，在泵的驅動下，液體介質流入換熱器中與冷媒進行換熱，經過換熱的低溫液體介質再次流經口琴管，如此循環以達到電池始終處在理想溫度范圍內工作的目的。依據汽車實際情況，冷媒主要采用沖壓空氣及空調冷卻液。在電池處于低溫狀態時，由車內加熱裝置對液體介質加熱，高溫液體通過口琴管對電池預熱，在泵的驅動下，液體循環流動對電池進行持續加熱。

1.2 傳熱模型

電池與環境之間傳熱過程主要包括熱傳導、對流換熱、熱輻射。熱傳導是物體之間不發生相對位移，僅依靠微觀粒子的熱運動而產生的熱能傳遞，對流換熱是流體流經固體表面時，流體與物體表面間的熱量傳遞過程，電池通過熱輻射傳遞的熱量很小，可忽略不計。

三維非穩態導熱微分方程為

(1)

對流換熱邊界條件方程為

(2)

其中：λ、h、T、T分別為物體導熱系數、對流換熱系數、壁面溫度、流體介質溫度；為溫度梯度。

1.3 物理模型

本文采用的物理模型如圖1所示。整個模型主要由液冷系統和電池模組兩部分組成，液冷系統主要包括主管道以及口琴管。電池模組上方布置2排口琴管，下方布置4排口琴管，電池模組由2塊電池并聯為1組，10組串聯組成，每組之間布置隔熱墊，共8個電池模組?？谇俟芘c電池模組之間布置導熱硅膠以及導熱硅膠墊。本文采用的主管道直徑為14 mm，采用市面常見口琴管，寬45 mm，高4 mm，內部具有10條流道，每條流道尺寸為3.95×3 mm，模組上、下表面布置的導熱硅膠以及導熱硅膠墊厚度分別為2.75 mm、1.5 mm。從模組取3個點，其中b點為側面的正中心點，a點為b點與電池上邊界二等分點，c點為b點與電池下邊界二等分點。以這3點對模組進行截線來對比電池間的溫差。

圖1 物理模型示意圖

1.4 邊界條件

冷卻工況下，電池模組進行1C放電，初始溫度設置為36 ℃，環境溫度設置并一直保持在36 ℃，液冷系統工質采用50%乙二醇水溶液，進口流量為12 L/min，進口溫度為25 ℃，出口邊界類型設置為壓力出口。電池模組、液冷系統與外界環境接觸表面均設置為絕熱壁面。加熱工況下，電池模組初始溫度設置為-30 ℃，環境溫度設置并一直保持在-30 ℃，液冷系統工質采用50%乙二醇水溶液，進口流量為12 L/min，進口溫度為30 ℃，出口邊界類型設置為壓力出口。電池模組、液冷系統與外界環境接觸表面均設置為絕熱壁面。

1.5 物性參數

本文所采用的電池參數均為天津某公司提供，如表1所示。

表1 電池基本參數

液冷系統工質采用50%乙二醇水溶液，其各項參數如表2所示。

表2 50%乙二醇水溶液基本參數

每組電池之間布置的隔熱墊材料為氣凝膠，相關參數如表3所示。

表3 氣凝膠基本參數

2 計算結果與分析

2.1 冷卻工況

整套熱管理系統采用對稱設計，同時由于首尾兩個模組冷卻流道中流速差別最大，溫差也最大，所以只需對比這兩個模組溫度分布即可。

圖2表示1號模組1C放電2 100 s后電池溫度分布云圖及最高溫度隨時間變化圖。從圖2可知，隨著放電時間的增加，電池的溫度逐漸升高，電池熱量主要集中在中心位置，溫度最高。這主要是因為熱管理系統僅布置在電池模組上、下兩側，電池中心位置的熱量不能及時傳遞出去。2 100 s后整個模組最高溫度為49.9 ℃，最低溫度為41.9 ℃。對于電動汽車電池模組，電池之間的均溫性是其壽命、安全的重要影響因素，為了探究單體電池之間的溫差，對模組進行截線。

圖2 1號模組溫度分布及最高溫度變化圖

圖3表示1C放電2 100 s后3條截線上電池的溫度分布圖。從圖3分析可知，截線a、b、c中電池之間的最大溫差分別為0.42 ℃、0.45 ℃、0.67 ℃，均<2 ℃，說明該液冷系統有助于滿足模組內單體電池溫度均勻性的要求。

圖3 截線a、b、c溫度分布圖

圖4表示4號模組1C放電2 100 s后電池溫度分布云圖及最高溫度隨時間變化圖。從圖4可知，此時整個模組最高溫度為50.3 ℃，最低溫度為42.1 ℃，較1號模組有所增大。主要是由于冷卻工質進入4號模組流速有所下降，同時流入溫度也會有所提升，同樣截線來對比電池溫差。

圖4 4號模組溫度分布及最高溫度變化圖

4號模組1C放電2 100 s后3條截線上電池的溫度分布如圖5所示。截線a、b、c中電池之間的最大溫差分別為0.6 ℃、0.7 ℃、1.1 ℃，均<2 ℃。通過對比1號、4號模組3條截線上電池的溫度，最大溫差為1.15 ℃，同樣<2 ℃，說明該液冷系統有助于滿足模組間單體電池溫度均勻性的要求。

圖5 截線a、b、c溫度分布圖

2.2 加熱工況

1號模組在系統加熱120 min后電池溫度分布及最低溫度隨時間變化如圖6所示。從圖6可知，溫度隨著電池上、下兩側向內逐漸降低和加熱時間的推移，模組的低溫區域主要集中在中心及上方兩側，原因在于熱量是通過模組上、下兩側的工質向內部傳遞的，同時模組上方僅布置兩排口琴管，熱量不能及時傳遞至兩側。120 min后模組的最高溫度為22.2 ℃，最低溫度為17.7 ℃，此時仍未到達電池最佳工作溫度，說明該系統對于模組的低溫啟動耗時較多，不能快速使之處于最佳工作溫度范圍，仍需優化。

圖6 模組溫度分布及最低溫度變化圖

3 結語

本文針對某商用112.5 Ah三元鋰電池所組成的電池模組，采用國內常用的基于液體介質的電動汽車動力電池熱管理系統，研究了冷卻、加熱兩種工況下電池模組的溫度分布。結果表明：在冷卻工況下，該型熱管理系統有助于滿足模組內及模組間單體電池溫度均勻性的要求。在加熱工況下，該系統不能快速加熱電池使之處于最佳工作溫度范圍，仍需優化。