徐曉明，蔣福平，田晉躍，李仁政，傅家麒

基于導(dǎo)熱膠散熱的電池包熱流場特性研究?

徐曉明，蔣福平，田晉躍，李仁政，傅家麒

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

基于某微型電動汽車55A·h鋰離子動力電池包的單體發(fā)熱功率測定數(shù)據(jù)，在勻速行駛、持續(xù)加速和NEDC 3種工況下，通過FLOEFD仿真對比分析單體之間為空氣和單體之間填充導(dǎo)熱膠兩種電池包的溫度場分布情況。結(jié)果表明:勻速行駛工況結(jié)束時刻，使用導(dǎo)熱膠填充間隙的電池包溫差比間隙為空氣的電池包降低了1.41℃；持續(xù)加速工況結(jié)束時刻，溫差降低了0.14℃；NEDC工況結(jié)束時刻，溫差降低了0.2℃。可見導(dǎo)熱膠對降低電池包溫升與均衡電池包溫度場方面有明顯作用。

電池包；強迫風(fēng)冷；導(dǎo)熱膠；溫度均衡；溫差；一致性

前言

微型電動車是專為近距離出行開發(fā)的環(huán)保型乘用車輛?？紤]到微型電動車行程較短，一般采用較小體積與容量的電池包，配合以強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，即可滿足需求。

電動汽車電池包要求結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)簡單，能量密度高。由于各個電池單體在模塊中所處的位置不同，不可避免會造成電池之間溫度的差異。在電池成組應(yīng)用時，溫度的差異會引起電池中電流分布的不同、電池衰減不一致[1－2]等，引起電池包的使用壽命快速衰減，最終導(dǎo)致電池包的壽命遠(yuǎn)低于電池單體的循環(huán)壽命。從熱管理的角度進(jìn)行電池成組設(shè)計的研究開發(fā)主要在兩個方面考慮:(1)如何將電池包放電產(chǎn)生的熱量及時散出；(2)如何使模塊內(nèi)單體之間溫差盡可能小。如果不能將電池包放電所產(chǎn)生的熱量及時排出，會造成熱量的聚集，影響電池包的使用安全性和一致性，出現(xiàn)熱濫用的狀況，最終甚至可能導(dǎo)致電池包起火爆炸[3－4]。同時，模塊內(nèi)單體溫度的不一致是導(dǎo)致電池性能衰退的主要原因之一，單體溫度的不一致會導(dǎo)致電池包的短板效應(yīng)，使得電池包的使用壽命急劇縮短。如果這兩個問題能找到優(yōu)化解決的方案，電池成組后的性能會得到很大提升。

電池單體溫差的控制目標(biāo)應(yīng)根據(jù)不同品牌電池單體受溫度的影響情況來確定。在正常應(yīng)用條件下，不同電池的容量和功率之間的差異應(yīng)不超過5%。實驗數(shù)據(jù)表明，常用的蓄電池(如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等)在溫度差異不超過5～8℃的情況下，電池性能差異就不會超過5%。在實際應(yīng)用中，電池包越大，溫差越難控制。

在電池包中電池單體成組設(shè)計時，電池單體之間往往存在一定的空氣間隙，由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，造成單體之間是不理想的接觸。這在一定程度上影響了單體之間的熱傳遞，從而影響了單體之間的溫度一致性。本文中以某微型電動車動力電池包為研究對象，采用導(dǎo)熱膠填充電池單體之間的間隙，來均衡電池包內(nèi)的溫度[5]。通過仿真對比單體之間為空氣與單體之間填充導(dǎo)熱膠的兩種電池包的溫度場分布情況，驗證該方法的有效性。

1 電池單體發(fā)熱功率測定

1.1 磷酸鐵鋰電池的熱物性參數(shù)

本文中所使用的電池包采用55A·h磷酸鐵鋰電池，成組形式為2并36串，共72節(jié)電池單體，電池包大小為644mm×654mm×232mm，散熱形式采用強迫風(fēng)冷，如圖1所示。55A·h磷酸鐵鋰電池各部分的熱物性參數(shù)如表1所示。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)

電池單體的密度可通過壓實密度來表示[6]:

表1 55A·h磷酸鐵鋰電池部分參數(shù)

式中:m為電池單體的質(zhì)量；V為電池單體的體積。

電池單體比熱容為

式中ci和mi分別為電池單體各部分材料的比熱容和質(zhì)量。

該55A·h鋰離子電池主要由鋁箔、銅箔和正負(fù)材料等疊加而成。由于組成電池單體的各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，這對電池發(fā)熱仿真的精準(zhǔn)度造成了一定的影響。本文中根據(jù)傳熱學(xué)中串并聯(lián)熱阻的原理，計算該電池單體3個方向的導(dǎo)熱系數(shù)。在三維的電池幾何模型中，規(guī)定垂直于電池的正極板的方向為x軸，其它兩個方向分別為y和z方向。熱量沿x軸的傳遞可看做沿串聯(lián)形式傳遞，沿y和z軸的方向可看做沿并聯(lián)形式傳遞。電池單體3個方向?qū)嵯禂?shù)分別為

式中:x方向為電池單體正極片的法向方向；λi為電池內(nèi)部不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)；li為電池內(nèi)部不同材料的厚度。

1.2 電池單體發(fā)熱功率測試

測試單體發(fā)熱功率時在電池單體的側(cè)壁布置有3個測溫點，底部布置有2個測溫點，試驗中采用3層絕熱材料來包裹電池，以此來保證電池單體具有較好的絕熱性能[7－11]，如圖2所示。

圖2 55A·h鋰離子電池單體測溫點布置和絕熱設(shè)計

測試時，分別記錄電池單體以不同倍率充放電時的溫升與充放電時間。然后先后計算出電池單體以不同充放電倍率充放電時的發(fā)熱量Q和發(fā)熱功率P:

式中:Q為電池單體的發(fā)熱量；cp為電池單體的比熱容；m為電池單體的質(zhì)量；ΔT為電池單體的溫升。

式中:P為電池單體的發(fā)熱功率，W；t為電池單體的充放電時間，s。

表2為不同充放電倍率時電池單體的發(fā)熱功率。

表2 不同充放電倍率時電池單體發(fā)熱功率

將得到的試驗數(shù)據(jù)用三次多項式擬合，可得到電池單體發(fā)熱功率隨充放電倍率變化曲線，如圖3所示。

對應(yīng)的擬合公式為

圖3 不同充放電倍率時電池單體發(fā)熱功率曲線

2 導(dǎo)熱膠對電池散熱影響分析

為使電池包內(nèi)部的溫度場更加均衡，同時保證并聯(lián)單體之間的電絕緣性，提出用導(dǎo)熱膠來填充單體電池之間的間隙。導(dǎo)熱膠的參數(shù)見表3。

表3 導(dǎo)熱膠參數(shù)

在分析導(dǎo)熱膠對電池散熱影響時，首先選擇一個電池模塊作為研究對象。在同樣的條件下進(jìn)行仿真計算，比較電池單體之間為空氣和填充導(dǎo)熱膠的兩種模塊的溫度分布。由于電池單體之間的空氣幾乎不流動，雖然空氣的導(dǎo)熱性能差，但不能忽略電池間隙中空氣的熱傳導(dǎo)作用。在仿真時，假定空氣為不可流動的傳熱介質(zhì)，設(shè)置電池的初始溫度等于環(huán)境溫度27℃，電池與空氣的自然對流系數(shù)為20W/ (m2·K)，電池模塊1C放電時的生熱速率為8 754.33W/m3，仿真時間為3 600s。

圖4為兩種電池模塊表面溫度云圖。對于間隙為空氣的電池模塊，由于空氣的熱傳導(dǎo)能力較差，位于中間位置的電池產(chǎn)生的熱量無法排出，故中間電池溫度普遍較高。對于間隙填充導(dǎo)熱膠的電池模塊來說，導(dǎo)熱膠構(gòu)建了電池單體之間的熱通道，電池模塊相當(dāng)于一個整體。中間位置的電池可以通過導(dǎo)熱膠向兩端傳遞熱量，使電池模塊的最大溫差有所下降?？梢妼?dǎo)熱膠可有效地起到溫度均衡的作用。

圖4 兩種電池模塊表面溫度場與中間截面溫度場對比

圖5 為兩種電池模塊溫差曲線。間隙為空氣的電池模塊的最高溫升為10.18℃，最大溫差為4.4℃。間隙填充導(dǎo)熱膠的電池模塊的最高溫升為9.67℃，最大溫差為3.59℃。使用導(dǎo)熱膠的電池模塊的最低溫度有所上升，這是因為模塊中間電池的部分熱量通過導(dǎo)熱膠傳遞給相鄰溫度較低的電池，熱量依次向模塊的兩端傳遞。由于冷卻效率的限制，整個模塊的最低溫度有所上升，同時中間電池因為其熱量向兩端電池傳遞，其溫度有所下降。與間隙為空氣的電池模塊相比間隙填充導(dǎo)熱膠的模塊的溫差下降了0.81℃。

圖5 兩種電池模塊溫差對比

3 不同工況下電池包熱流場特性研究

根據(jù)55A·h鋰離子電池單體發(fā)熱功率測定數(shù)據(jù)，以微型電動汽車動力電池包為研究對象，針對勻速行駛、持續(xù)加速和NEDC 3種工況，通過FLOEFD仿真對比分析單體之間為空氣與單體之間填充導(dǎo)熱膠的兩種電池包的溫度場分布情況[12－15]。

從功率平衡方程式可知電機的輸出功率為

式中:m為整車滿載質(zhì)量，1000kg；f為滾動阻力系數(shù)，0.015，A為迎風(fēng)面積，1.35m2；CD為空氣阻力系數(shù)，0.4；α為坡度角；u為車速，km/h；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，1.03。

根據(jù)電機的輸出功率與輸入功率的關(guān)系得

式中:PMI為電動機輸入功率；ηm為電機效率。

另一方面，電機輸入功率又等于控制器效率與電池組輸出功率的乘積。若忽略蓄電池內(nèi)阻引起接通電路后端電壓的下降，可得

式中:UB為蓄電池組輸出電壓；IB為蓄電池組輸出電流；ηiv為控制器效率。

由式(9)和式(10)可得電池包的放電電流為

3.1 勻速行駛工況

電動汽車以75km/h在水平路面上勻速行駛時，電池包的平均放電倍率為0.82C，電動車可持續(xù)運行約4 500s。間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的最高溫度為34.20℃，最低溫度為26.96℃，最大溫差為7.24℃。間隙為空氣的電池包，最高溫度為35.13℃，最低溫度為26.48℃，溫差為8.65℃。圖6為兩種電池包以0.8C倍率放電4 500s的溫度場截面圖，圖7為溫差曲線圖。由圖可見:使用強迫風(fēng)冷后電池包溫度場整體向出風(fēng)口移動最高溫度出現(xiàn)在中間偏右側(cè)；電池單體之間填充導(dǎo)熱膠后，由于電池之間的熱傳導(dǎo)整個溫度場更加均勻，高溫區(qū)域明顯縮??；使用導(dǎo)熱膠填充間隙的電池包溫差比間隙為空氣的電池包降低了1.41℃，可見導(dǎo)熱膠對電池包溫度場的均衡有著較大作用。

圖6 勻速行駛時兩種電池包溫度場對比

圖7 勻速行駛時兩種電池包溫差對比

3.2 持續(xù)加速工況

電動車分別以40，50，60，75km/h各行駛5min，電動車在水平路面上行駛時的車速對應(yīng)的放電電流見表4，可根據(jù)表4和式(7)，計算出電池包在不同放電電流下的生熱速率。

表4 不同行駛車速電池包的放電倍率

電動車持續(xù)運行約1 240s。間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的最高溫度為23.10℃，最低溫度為21.85℃，最大溫差為1.25℃。間隙為空氣的電池包，最高溫度為23.31℃，最低溫度為21.92℃，溫差為1.39℃。使用導(dǎo)熱膠填充間隙的電池包溫差比間隙為空氣的電池包降低了0.14℃，可見導(dǎo)熱膠對電池包短時間放電時對溫度場的均衡所起到的作用不是很明顯。這是由于該時間段雖然電池包的放電倍率大，對應(yīng)的放電生熱速率高。但由于放電時間短，總的生熱量小，造成電池包的總溫升與溫差相對較小。而持續(xù)高速勻速行駛時，電池包的放電狀態(tài)為恒流放電，因而電池包的生熱速率也基本保持一致。此時，由于風(fēng)扇所帶有熱量能力的限制，隨著放電時間的延長，電池包的溫度與溫差呈上升趨勢，直至達(dá)到溫度平衡狀態(tài)。兩者相比，由于電池包的放電狀態(tài)不同，即相同時間內(nèi)電池包放電產(chǎn)生的總熱量不同。因此，在相同的放電時間下，電池包在兩種工況下的溫升與溫差也有所不同。圖8為持續(xù)加速時兩種電池包溫度場截面圖，圖9為溫差曲線圖。由圖可見，由于電動汽車加速時電池包以大倍率放電的時間較短，其引起的溫升也較小。由此可見電動車短時間內(nèi)的大電流放電并不會引起電池包溫度的急劇上升，反倒是當(dāng)電動車以較快速度行駛時電池包溫度上升得更加明顯，從而電池包的溫差也隨著溫度的上升而在逐步加大。

圖8 持續(xù)加速時兩種電池包溫度場對比

圖9 持續(xù)加速時兩種電池包溫差對比

3.3 NEDC工況

電動車運行了2個NEDC循環(huán)，包含8個市區(qū)循環(huán)、2個市郊循環(huán)，共運行2 380s。間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的最高溫度為23.65℃，最低溫度為22.05℃，最大溫差為1.6℃。間隙為空氣的電池包，最高溫度為23.89℃，最低溫度為22.09℃，溫差為1.8℃。使用導(dǎo)熱膠填充間隙的電池包溫差比間隙為空氣的電池包降低了0.2℃。圖10為持續(xù)加速時兩種電池包溫度場截面圖，圖11為溫差曲線圖。從圖中可以看出，在市區(qū)工況運行時，由于車輛主要以低速運行為主，電池包內(nèi)溫差較小。在市郊工況運行時，由于有一些短時間的高速運行，電池包內(nèi)的溫差快速增加。此外由于一些急加速也會使得電池包內(nèi)溫升與溫差加大。

圖10 NEDC工況兩種電池包溫度場對比

圖11 NEDC工況兩種電池包溫差對比

4 結(jié)論

分別對勻速行駛、持續(xù)加速和NEDC 3種工況進(jìn)行分析，電池單體間隙填充導(dǎo)熱膠的電池包的溫升與溫差明顯小于間隙為空氣的電池包。由此可見導(dǎo)熱膠對降低電池包溫升與均衡電池包溫度場方面有明顯作用。進(jìn)行電池包熱設(shè)計時，在電池包結(jié)構(gòu)無法做出改變的情況下，可通過在電池單體之間填充導(dǎo)熱膠的方式來降低電池包的溫升與溫差。在可變更電池包結(jié)構(gòu)的情況下，通過改變電池包結(jié)構(gòu)和在電池單體間填充導(dǎo)熱膠來使電池包處在合適的工作環(huán)境下。

電動車在加速行駛時由于加速時間較短，即電池包在進(jìn)行短時間的大電流放電時，電池的溫升與溫差上升較小。而高速勻速行駛時由于熱的積累與長時間恒流放電，電池包的溫升與溫差上升明顯。這是電池包熱管理設(shè)計者所應(yīng)該關(guān)注的。

本文中分析了強迫風(fēng)冷在中小容量的電池包中的使用。通過對比在電池包間隙填充導(dǎo)熱膠與間隙為空氣兩種電池包在不同工況下的散熱效果表明，使用導(dǎo)熱膠填充電池單體間隙對電池包的散熱效果有明顯作用。本文中的研究結(jié)果可為巡邏車、微型代步車等純電動汽車的電池包的散熱設(shè)計提供理論指導(dǎo)。但在設(shè)計大容量電池包時，使用強迫風(fēng)冷可能仍不滿足電池包的溫度要求，此時需要考慮使用液冷散熱結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱膠協(xié)同使用。

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A Research on the Heat Flow Field Characteristics of Battery Pack Based on Heat Conduction Glue Cooling

Xu Xiaoming，Jiang Fuping，Tian Jinyue，Li Renzheng＆Fu Jiaqi
School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013

Based on the measured data of single cell thermal power of 55A·h lithium-ion battery pack in an electric micro vehicle，a simulation with FLOEFD software is conducted to comparatively analyze the temperature field distribution of two battery packs with air gap and filled with heat conduction glue between cells respectively under three different conditions(constant speed，sustained acceleration and NEDC cycle).The results show that at the end of constant speed driving，the temperature difference between cells in the pack using heat conduction glue is 1.41℃less than the pack with air gap，and the value is reduced to o.14℃and 0.2℃respectively for sustained acceleration driving and NEDC cycle，demonstrating the apparent effects of heat conduction glue in reducing the temperature rise and equalizing the temperature field of battery pack.

battery pack；forced air cooling；heat conduction glue；temperature equilibrium；temperature difference；consistency

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.006

?國家自然科學(xué)基金(51505196)、江蘇省自然科學(xué)青年基金(BK20140559)、中國博士后基金面上項目(2014M561582)、江蘇省博士后基金(1302036B)和江蘇大學(xué)高級人才專項項目(1281120041)資助。

原稿收到日期為2016年9月8日，修改稿收到日期為2016年10月25日。

徐曉明，副教授，E-mail:xuxiaoming3777＠163.com。