汽車軟包電池的不同液冷因素及組合充電工況的熱分析

楊秀豐,屈 翔,賈秋紅,高成龍,譚 偉

(1.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054;2.廣州集團汽車股份有限公司汽車工程研究院， 廣州 510000)

0 引言

隨著新能源汽車發展，鋰離子電池成為純電動汽車的動力來源之一。由于鋰離子電池的特性直接影響著整個電池系統的性能、壽命以及安全性，因此必須設計性能良好的電池散熱系統，使電池系統在理想的工作溫度內運行。目前，電池散熱的方式主要有風冷、液冷、相變材料冷卻和熱管技術冷卻。對于風冷方式，Mahdi等[1]和李志揚等[2]主要集中在電池的間距、風速以及風扇的布置形式的研究。李康靖等[3]重點研究電池的排列方式、間距以及風速對電池溫度以及溫度均衡性的影響。姜貴文等[4]設計相變材料和液冷耦合冷卻模型，將相變材料包裹在電池包里并嵌入冷卻管，對冷卻管的數量以及位置進行研究。熱管技術的研究主要集中在熱管的設計，例如通道的尺寸、冷卻工質、充液率以熱管布置方案設計、冷凝端冷卻方式選擇等方面[5-6]。Feng等[7]將熱管和翅片結合并通過風扇對冷凝端進行冷卻。Liu等[8]設計一種蒸發室和圓弧翅片結合的結構，并比較風冷和水冷的蒸發室結構對冷卻性能的影響。而液冷技術的研究主要采取冷卻管或者冷卻板，從而研究其流速、流動方向、不同冷卻液、冷卻板布置方案設計等因素。 Lan等[9]和閔小滕等[10]針對電池設計微型通道冷卻管，并研究了冷卻管的數量對散熱的影響。盤朝奉等[11]設計雙進雙出的冷卻管結構，并進行1 C放電倍率仿真。Yoong等[12]主要研究冷卻板不同的布置方式，從而提高電池的均溫性。Malik等[13]得出30 ℃的冷卻液溫度可以使得電池在不同放電倍率保持在25～40 ℃。Xie等[14]采用正交設計的方法對冷卻板的管徑、管徑、厚度進行優化，優化后的冷卻板的質量下降到82.4%。

綜上所述，隨著純電動汽車的續航里程的增加，風冷逐漸退出舞臺，而相變材料技術多為輔助冷卻方式。盡管熱管技術具有較多優點，但其技術還尚未成熟，而液冷技術因冷卻效率較高且可控性好，逐漸成為冷卻技術的主流方向。

1 傳熱模型建立及相關計算

1.1 傳熱模型及生熱速率方程

由于電池內部極為復雜，對其生熱模型進行一些假設，將電池等效為一個均勻的發熱體。本文采用K.Onda提出的傳熱模型進行研究。

(1)

式中：ρ為電池等效密度；Cp為電池等效比熱容；λx為x方向上的導熱系數；λy為y方向的導熱系數；λz為z方向的導熱系數；q為生熱速率。

采用Bernardi提出的電池生熱速率方程進行生熱率計算，其計算方法如下：

(2)

1.2 電池單體選型

以某款軟包電池為研究對象，該款電池較等容量的鋼殼鋰離子電池輕40%，較鋁殼電池輕20%，其具體參數如表1所示。

表1 軟包電池基本參數

1.3 熱物性參數計算

電池熱物性參數值如表2所示。

表2 軟包電池熱物性參數

1.4 電池內阻測試實驗

通BTS-5V100A新威動力電池倍率充放電儀對電池進行放電，并使用HIOKI的精密內阻測試儀，測量不同荷電狀態(state of charge，SOC)下的電池內阻。HIOKI精密內阻測試儀實物如圖1所示。

圖1 HIOKI精密內阻測試儀實物

采用動態脈沖測試方法在環境溫度為20 ℃的條件下進行測試，對測試所得的電池直流內阻數據進行列表處理，如表3所示。

表3 不同SOC下電池內阻值

從實驗數據可知該款軟包電池隨著SOC下降到10%，其內阻在0.1 mΩ內變化。其主要原因是電池的內阻在常溫環境下變化極小。另外，軟包電池的電解液是膠狀體，不存在液態鋰離子電池隨著鋰離子濃度的下降導致鋰離子遷移力變大，從而宏觀上表現出電池內阻增大的現象。通過實驗測得正極極耳內阻約為0.12 mΩ，負極極耳內阻約為0.1 mΩ，將電池阻值取整數，為2 mΩ。

2 電芯溫升仿真及實驗對比分析

2.1 幾何模型建立及網格劃分

單體電池的幾何尺寸為158.5 mm×64.5 mm×9.2 mm。將幾何模型導入ANSA前處理軟件，并進行多面體網格劃分，其面網格數量為983個，體網格數量為1 192個，如圖2所示。

圖2 電單體幾何模型及網格模型示意圖

2.2 電池單體的溫升仿真

將單體電池的網格導入到Fluent軟件中，將1.3節計算得到的熱物性參數賦予電池物理屬性。根據Bernardi的生熱速率方程計算出電池的單位體積熱源，1.5 C的生熱速率為4 787.2 W/m3，2 C的生熱速率為8 510.6 W/m3。環境溫度設置為 20 ℃，根據經驗自然對流系數設置為4 W/(m2·K)。進而對不同放電倍率條件下的溫度分布進行仿真，結果如圖3、4所示。

圖3 1.5 C放電電池溫度云圖

圖4 2 C放電電池溫度云圖

從圖3、4中可以看出，1.5 C放電倍率下電池最高溫度為23.8 ℃，最低溫度為23.4 ℃，最大溫差為0.4 ℃。2 C放電倍率下，電池最高溫度為 27.58 ℃，最低溫度為26.3 ℃，最大溫差為1.28 ℃。其中，電池的中心溫度高于四周的主要原因是散熱面積固定不變，電池內部熱量不能快速傳遞到周圍空氣中，從而導致熱量積累在電池中心。

2.3 電池溫升實驗

在環境溫度為20 ℃條件下進行放電溫升實驗。測試步驟如下：以0.5 C倍率將電池充滿電，靜置10 min使其恢復至室溫；繼而以1.5 C倍率放電，放電時間為2 400 s，實時采集電池表面溫度；將放電倍率改為2 C放電，放電時間為1 800 s；重復上述測試步驟，直至SOC為0%。圖5為溫度點布置。

將實驗充放電的溫升數據進行整理，并與仿真數據進行對比，如圖6所示。從圖6可知，電池的仿真結果要高于實驗值。其主要原因是，仿真過程中電池處于絕熱的理想環境中，而實驗過程中，由于實驗條件有限，沒有恒溫箱，導致電池與外部環境存在熱交換，從而使得實驗值偏低。但電池溫度仿真值與實驗值的誤差在5%之內，可以認為生熱模型是可行的。

圖5 實驗設備及電池溫度點布置

圖6 實驗與仿真溫升曲線

3 不同液冷因素的仿真分析

3.1 液冷結構設計

軟包電池與液冷管的裝配如圖7所示。冷卻管的截面尺寸為108 mm×5 mm，厚度為1 mm，冷卻管的材料為鋁。電池包采用2并90串的成組方式，共180顆電芯。

圖7 電池組及液冷結構裝配示意圖

對電池組以及冷卻管進行多面體網格劃分，其面網格數量為593 652個，體網格數量為1 263 700個，如圖8所示。

圖8 電池組網格示意圖

環境溫度設置為25 ℃，冷卻液為水，冷卻液流量為3 L/min，冷卻液溫度為25 ℃，進行2 C放電倍率仿真，其仿真結果如圖9所示。從圖9中可以看出，電池最高溫度為26.96 ℃，最低溫度為24.9 ℃，最大溫差為2.1 ℃，液冷效果較好，滿足設計要求。

圖9 2 C放電倍率溫度云圖

3.2 不同冷卻液對電池散熱的影響

考慮到中國北方的使用環境，冷卻液為水不符合要求，因而選取幾種冰點較低的冷卻液，如表4所示。

表4 常見冷卻液物理參數(25 ℃)

環境溫度為25 ℃，進行2 C放電倍率仿真，流量設置為3 L/min，冷卻液溫度為25 ℃，仿真結果如圖10所示。

圖10 不同冷卻液的溫升曲線

從圖10中可以看出，硅油的冷卻效果最差，其次是蓖麻油。而50%的乙二醇水溶液的冷卻效果最佳。導致不同冷卻液存在冷卻效果差異的主要原因是比熱容不同。50%的乙二醇水溶液的比熱容最大，在相同的溫度下，其吸收的熱量更多。另外從冰點這個因素考慮，50%乙二醇水溶液的冰點-33.8 ℃符合北方低溫環境的要求，因此選擇乙二醇溶液作為本文冷卻液。

3.3 不同流量對電池溫度均衡性的影響

環境溫度設置為25 ℃，冷卻液為50%的乙二醇水溶液，分別對3種放電倍率進行不同流量的仿真分析，電池最高溫度的仿真結果如圖11所示。

圖11 不同放電倍率的最高溫度曲線

從圖11可以看出，在3種不同放電倍率下，電池的最高溫度在40 ℃之內。其中在1 L/min時，3 C放電倍率電池的最高溫度為34 ℃，1.5 C放電倍率的最高溫度為26.55 ℃，滿足溫度范圍20～40 ℃的要求。

隨著冷卻液流量增加，其3種放電倍率的最大溫差仿真結果如圖12所示。

圖12 不同放電倍率下的溫差曲線

從圖12可以看出，隨著流量的增大，電池的溫度均衡性越好，即電池之間的溫差越小。但當流量增大到一定的程度時，1.5 C和2 C放電倍率的最大溫差不會發生變化，這個臨界值的流量值為4 L/min。通過3 C放電倍率的仿真分析，當流量達到4 L/min，其最大溫差為4.4 ℃，其溫差在5 ℃之內，滿足設計目標，可認為4 L/min為最佳冷卻流量。

4 組合充電工況的仿真分析

4.1 組合充電試驗方案

目前制約電動汽車發展的一個因素是充電時間過長。現在較為經典的充電方式主要是先采取小電流對電池進行預充電，繼而采取恒定電流充電。此充電模式較為安全，但其充電效率較低。超級快充是指充電倍率大于3 C，可以在15 min達到額定容量的70%～80%。因此，本文設計一種分階段充電方法，從而提高充電效率。基于這個思想，設計了15種不同倍率組合的充電方案，如表5所示。

保持邊界條件不變，依次對15種方案進行仿真，其仿真結果如表6所示。

表5 組合充電倍率的試驗方案

表6 組合充電工況仿真結果

從表6可以看出，這15種試驗方案都滿足設計目標。在15組數據中溫度最高為試驗方案3，最高溫度為31.7 ℃，而試驗方案14和15溫度最低為25.5 ℃。另外，從表6可知電池的充電倍率越高，其電池的溫度越高，其充電時間也越短。研究表明，電池系統最大溫差多1 ℃，其電池系統的使用壽命衰減5%，應盡可能縮短電池單體之間的溫差，提高溫度的均衡性。因此最大溫差這個指標是評判電池散熱系統的性能好壞的重要指標，而在最大溫差相同的情況下，需要從充電時間的長短來選擇。因此，最優的充電方案必須考慮最大的溫差和充電時間2個因素。

4.2 最大溫差對比分析

由于表6的數據過多，因此進行列表分析。15種組合充電方案的最大溫差如圖13所示。從圖13可知，80%試驗方案的最大溫差為5 ℃以內，滿足設計目標的要求。其中，最大溫差超過5 ℃ 的試驗方案分別是3，5，6，占比為20%。試驗方案5的最大溫差達到6.76 ℃，主要原因是4 C 倍率下進行充電，其熱量急速上升，無法將電池的最大溫差控制在5 ℃之內。不滿足設計要求的充電方案主要集中在3.5 C充電倍率以上。在冷卻條件有限的前提下，應該避免在3.5 C倍率以上充電，從而保證電池系統的使用壽命。

圖13 組合充電倍率的溫差直方圖

4.3 充電時間對比分析

在80%的試驗方案滿足設計目標的前提下，從充電時間長短選擇最優的充電方案。因此，對15種組合充電倍率方案所需時間進行列表分析，如圖14所示。

圖14 組合試驗方案的充電時間直方圖

從圖14可知，溫差在5 ℃之內，方案8為最優充電方案,僅需1 060 s。另外，試驗方案4、7和9的溫差約為2.4 ℃，但充電時間卻不相等，從充電時間長短可判斷出試驗方案9的充電時間更短，僅需1 220 s。試驗方案14和15的溫差均為1.3 ℃，而試驗方案14的充電時間只需2 800 s，比方案15少800 s。因此，方案14比方案15更佳。用戶可根據用電的需求，選擇快充模式為方案8，用時1 060 s；中充模式為方案9，用時1 220 s；慢充模式為方案14，用時2 800 s。

5 結論

1) 建立了傳熱模型，分析了軟包電池的生熱速率，進行了電池內阻測試實驗，確定了軟包電池內阻為2 mΩ。通過Fluent進行了不同放電倍率的電芯溫升仿真，并與電池溫升實驗數據進行對比分析，驗證了熱模型的準確性；

2) 設計液冷結構，并初步進行仿真，電池的最高溫度為26.96 ℃，最大溫差為2.1 ℃，冷卻效果較佳。繼而進行了不同冷卻液對電池散熱影響的仿真分析，確定50%的乙二醇水為最優冷卻液。當流量為4 L/min，可以使得電池在1.5 C、2 C、3.5 C放電倍率下的最大溫差維持在5 ℃以內，確定為最佳冷卻流量；

3) 設計15種組合充電倍率充電方案，其中80%充電方案的最大溫差在5 ℃以內，滿足設計目標要求。根據用電緊急程度確定3種充電模式，快充模式為方案8，充電倍率為4 C-3 C-3 C，充電所需時間為1 060 s；中充模式為方案9，充電倍率為4 C-3 C-2 C，充電所需時間為1 220 s；慢充模式為方案14，其3個階段的充電倍率均為1.5 C，充電所需時間為2 800 s。