電動(dòng)汽車用鋰電池風(fēng)冷液冷一體散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白曉天，郭志軍

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471000)

2013—2018 年全國(guó)汽車保有量及其污染物排放量呈直線上升的趨勢(shì)，傳統(tǒng)汽車給環(huán)境帶來(lái)的危害日益加劇，我們迫切需要一種新型無(wú)污染的汽車來(lái)替代傳統(tǒng)汽車，新能源汽車便應(yīng)運(yùn)而生，從2010 年的8 159 輛到2018 年的125.6 萬(wàn)輛可以看出，新能源汽車已經(jīng)融入了我們的生活。雖然其節(jié)能環(huán)保給自然帶來(lái)了便利，但是還存在一些安全隱患。2019 年4月份特斯拉發(fā)生自燃事件；2020 年4 月份蔚來(lái)ES8 分別在西安、上海、武漢三座城市發(fā)生著火事件，此款車輛的召回比例高達(dá)27.37%；同年8 月份北汽新能源汽車在充電的時(shí)候發(fā)生爆炸。主要原因就是電池組在工作時(shí)溫度急劇升高，引起電池鼓脹破裂，最后失火。所以電動(dòng)汽車擁有一個(gè)良好的散熱系統(tǒng)，及時(shí)將電池組堆積的熱量排放出去至關(guān)重要。

鋰離子電池因?yàn)榫哂须妷焊?、比能量高、充放電壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用在電動(dòng)汽車上，目前常用的鋰離子電池組的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻和熱管冷卻?？諝饫鋮s結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較小但是效率低下，適合用在小型對(duì)散熱要求不高的電動(dòng)汽車上；液體冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴但是冷卻效果好；相變冷卻和熱管冷卻造價(jià)太高并且技術(shù)不是很成熟，所以還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

本文主要針對(duì)某純電動(dòng)汽車的鋰離子電池組進(jìn)行散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，采用“雙冷卻室”風(fēng)冷液冷一體化的散熱方式。通過(guò)Catia 建立散熱系統(tǒng)的模型，再用ABAQUS 對(duì)電池組散熱進(jìn)行模擬數(shù)值分析，改變不同的環(huán)境溫度，使得在各種情況下都能將電池組的溫度控制在合理的范圍內(nèi)。

1 鋰離子電池的產(chǎn)熱特性

鋰離子電池組在充放電過(guò)程中，產(chǎn)生的熱量主要包括反應(yīng)熱Qr、極化內(nèi)阻熱Qj、歐姆內(nèi)阻熱Qo、副反映熱Qy。

根據(jù)能量守恒定律，微元體的熱平衡滿足如下條件：導(dǎo)入微元體的總熱流量+微元體內(nèi)熱源的生成熱=微元體內(nèi)能的增量+導(dǎo)出微元體的總熱流量[1]。

根據(jù)傅里葉定律，可以得知導(dǎo)入和導(dǎo)出微元體的總熱流量可以分解成x、y、z三個(gè)方向的分熱流量，如圖1 所示。

圖1 分流熱量示意圖

依據(jù)傅里葉定律，通過(guò)x、y、z三個(gè)表面的導(dǎo)入微元體的熱量如下：

同理可得，通過(guò)x+dx、y+dy、z+dz三個(gè)表面的導(dǎo)出微元體的熱量如下：

微元體的內(nèi)能增量為:

式中：ρ 為密度；c為比熱容；t為時(shí)間。

設(shè)單位體積內(nèi)熱源的生成熱為q，那么微元體內(nèi)熱源的生成熱為：

最后根據(jù)微元體的熱平衡條件得出單體電池內(nèi)部生熱的導(dǎo)熱微分方程在直角坐標(biāo)系下的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型為：

2 散熱系統(tǒng)模型的建立

2.1 散熱系統(tǒng)幾何模型

散熱系統(tǒng)的三維模型如圖2 所示，等軸圖中從上向下依次為散熱風(fēng)扇組、導(dǎo)熱鋁板、冷卻管套板、冷卻管道、電池本體。散熱風(fēng)扇組由6 個(gè)獨(dú)立工作的風(fēng)扇組成，可以根據(jù)不同的工況開(kāi)啟不同的個(gè)數(shù)。散熱管道出口連接暫存室，入口連接冷卻室，與電池本體之間通過(guò)硅膠連接。

圖2 散熱系統(tǒng)三維模型圖

新型雙冷卻室和單冷卻室散熱系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖3 所示。圖3(a)中，已經(jīng)吸收過(guò)電池本體熱量的冷卻液流入暫存室，同時(shí)冷卻室已經(jīng)冷卻后的冷卻液流入冷卻管道，對(duì)電池本體降溫。此時(shí)暫存室的冷卻液進(jìn)入冷卻室冷卻，等待下一個(gè)循環(huán)的使用，這樣既可以保證冷卻液的低溫性，又能提高整個(gè)冷卻管道冷卻液的均溫性，避免單個(gè)冷卻室系統(tǒng)中即將進(jìn)入冷卻室的冷卻液和剛流出冷卻室的冷卻液之間溫差較大的問(wèn)題。如果冷卻液溫差較大將直接造成電池組放電時(shí)溫差較大，還會(huì)加劇熱輻射的不均勻性，進(jìn)一步對(duì)電池組溫差產(chǎn)生影響。

圖3 散熱系統(tǒng)示意圖

2.2 散熱系統(tǒng)材料物性參數(shù)

因?yàn)殡姵氐膬?nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，含有的材料非常繁多，無(wú)法準(zhǔn)確建立與實(shí)際電池組完全一樣的模型，所以需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并做出以下的假設(shè)[2]：(1)電池內(nèi)部物質(zhì)發(fā)熱均勻，忽略正負(fù)極；(2)電池內(nèi)部各向同性，物理性質(zhì)相同；(3)電池比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，不考慮塑性變形、膨脹率等因素。本文采用的電池組模型為三個(gè)并列分布的電池單體，每個(gè)電池單體的尺寸為200 mm×120 mm×60 mm，電池單體之間的間距為30 mm。因?yàn)樵谡麄€(gè)仿真分析過(guò)程中，需要考慮電池組的瞬態(tài)響應(yīng)，所以還需要各種材料的密度參數(shù)。通過(guò)加權(quán)平均法計(jì)算之后，得到各種材料的物性參數(shù)如表1 所示。

表1 材料物性參數(shù)

因?yàn)樯衔募僭O(shè)電池內(nèi)部各向同性，所以電池的導(dǎo)熱系數(shù)在各個(gè)方向統(tǒng)一取2.75 W/(m·K)。電池輻射產(chǎn)生的熱量也不能忽視[3]，輻射率取0.8。

3 仿真分析與討論

3.1 模型仿真

散熱系統(tǒng)的空氣流域是由6 個(gè)風(fēng)扇組成的，在仿真的時(shí)候，將風(fēng)扇提供的空氣流域用穩(wěn)定的風(fēng)速代替，通過(guò)在電池組上施加空氣強(qiáng)制對(duì)流區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)，空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)取200 W/(m2·K)；同樣的，冷卻液提供的液體流域用穩(wěn)定的液體流速代替，通過(guò)在電池組上施加液體強(qiáng)制對(duì)流區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)，新型“雙冷卻室”散熱系統(tǒng)的液體強(qiáng)制對(duì)流區(qū)域是均勻的；傳統(tǒng)“單冷卻室”散熱系統(tǒng)的液體強(qiáng)制對(duì)流區(qū)域是非均勻性的，水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)取3 000 W/(m2·K)。流道入口的速度設(shè)置為0.03 m/s;冷卻液的入口溫度設(shè)置為298.15 K；電池的輻射率設(shè)置為0.8。

網(wǎng)格劃分的單元形狀采用六面體，控制屬性設(shè)為結(jié)構(gòu)，幾何階次使用線性。為了提高仿真的準(zhǔn)確性和運(yùn)算效率[4]，網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為3×30×70×150=945 000 個(gè)，網(wǎng)格的具體分布如圖4 所示。

圖4 電池組網(wǎng)格分布圖

為了驗(yàn)證新型“雙冷卻室”散熱系統(tǒng)的散熱效果是否得到提高，在ABAQUS 仿真平臺(tái)上與傳統(tǒng)“單冷卻室”散熱系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)[5]。在上述邊界條件都設(shè)置相同的情況下，對(duì)比兩種散熱系統(tǒng)在電池組1C充放電倍率下對(duì)電池散熱性能的影響，主要是對(duì)電池組最高溫度和最大溫差的影響。為了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和合理性，分別在環(huán)境溫度為305、308、311、315 K 下作對(duì)照實(shí)驗(yàn)。圖5 為傳統(tǒng)“單冷卻室”散熱系統(tǒng)在環(huán)境溫度305、308、311、315 K 下，電池組放電時(shí)電池的溫度場(chǎng)云圖；圖6 為新型“雙冷卻室”散熱系統(tǒng)在環(huán)境溫度305、308、311、315 K 下，電池組放電時(shí)電池的溫度場(chǎng)云圖。

圖5 傳統(tǒng)“單冷卻室”散熱系統(tǒng)電池的溫度場(chǎng)云圖

圖6 新型“雙冷卻室”散熱系統(tǒng)電池的溫度場(chǎng)云圖

3.2 仿真結(jié)果討論

為了更加直觀地看出兩種散熱系統(tǒng)對(duì)電池組最高溫度和最大溫差的影響[6]，將云圖中的數(shù)據(jù)整理到表格中，見(jiàn)表2。

表2 兩種散熱系統(tǒng)下電池組的最高溫度和最大溫差 K

從表2 可以看出，在環(huán)境溫度為305、308、311、315 K 時(shí)，新型散熱系統(tǒng)中電池組的最高溫度和最大溫差都比傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的低，說(shuō)明新型散熱系統(tǒng)的冷卻性能和均溫性都得到了優(yōu)化改善。這是因?yàn)槔鋮s室中流入冷卻管道的冷卻液溫度基本都是相同的，將冷卻室冷卻后的低溫冷卻液和散熱管道中流出來(lái)的吸收過(guò)電池組熱量的高溫冷卻液完全分離開(kāi)來(lái)了。從溫度場(chǎng)云圖中可以看出，傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)中電池組的最高溫度在遠(yuǎn)離冷卻管入口位置的電池單體上，這是因?yàn)閱卫鋮s室不能及時(shí)將冷卻液的溫度降下來(lái)，并且越遠(yuǎn)離冷卻室的位置冷卻液溫度越高，就導(dǎo)致了這種現(xiàn)象，和預(yù)期結(jié)果一致。

為了進(jìn)一步直觀地看出兩種散熱系統(tǒng)隨著環(huán)境溫度的改變，對(duì)電池組最高溫度和最大溫差的影響[7]，繪制圖7、圖8兩個(gè)折線圖。圖7 是兩種散熱系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下電池組的最高溫度；圖8 是兩種散熱系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下電池組的最大溫差。

圖7 電池組最高溫度

圖8 電池組最大溫差

從圖7 可以看出，隨著環(huán)境溫度的增加，兩種散熱系統(tǒng)的最高溫度都在增加，但是降溫幅度增加，新型散熱系統(tǒng)電池組的最高溫度卻一直低于傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)。圖8 顯示，隨著環(huán)境溫度的增加，兩種散熱系統(tǒng)的最大溫差都在緩慢下降；新型散熱系統(tǒng)電池組的最大溫差一直低于傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的；環(huán)境溫度為305 K 時(shí)，新型散熱系統(tǒng)電池組的最大溫差為5.03 K；環(huán)境溫度為315 K 時(shí)，新型散熱系統(tǒng)電池組的最大溫差僅為1.5 K，完全滿足使用要求[8]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)中三維模型的可行性，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，借助單片機(jī)在電路板上搭設(shè)小型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括散熱風(fēng)扇、散熱鋁板、水冷裝置、溫度計(jì)、溫度傳感器等等，具體如圖9 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

對(duì)應(yīng)仿真分析的四組情況，設(shè)置環(huán)境溫度分別為305、308、311、315 K，測(cè)定對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度下電池組的最高溫度和最大溫差，并與ABAQUS 仿真的結(jié)果進(jìn)行比較，分析誤差，對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

因?yàn)榉抡娼Y(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的最高溫度數(shù)據(jù)比較大，為了更加客觀地分析他們之間的誤差，這里采用相對(duì)誤差；同樣的，因?yàn)樽畲鬁夭畹臄?shù)據(jù)比較小，所以這里采用絕對(duì)誤差。從表格中可以直觀地看出，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差都很小，可以驗(yàn)證該模型的正確性。

5 總結(jié)

本文通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對(duì)傳統(tǒng)、新型散熱系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，分析在不同環(huán)境溫度下，兩種散熱系統(tǒng)對(duì)電池組最高溫度和最大溫差的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在其他條件相同的情況下，隨著環(huán)境溫度的變化，新型散熱系統(tǒng)中電池組的最高溫度和最大溫差都比傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的低，新型散熱系統(tǒng)可以有效改善電池組的散熱性能；

(2)隨著環(huán)境溫度的降低，電池組的最高溫度降低，在低溫環(huán)境下應(yīng)該減少風(fēng)扇的工作個(gè)數(shù)和降低冷卻液的流速以提高經(jīng)濟(jì)性；

(3)隨著環(huán)境溫度的降低，電池組的最大溫差增加，可以考慮通過(guò)改變冷卻管道的結(jié)構(gòu)形狀、布置部位來(lái)降低最大溫差。