宋德才,董 非，程子陽,萬俊伸

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

與傳統(tǒng)鎳鎘(Ni-Cd)電池和鎳金屬氫氧化物(Ni-MH)電池相比，鋰離子電池具有放電倍率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于純電動(dòng)以及混合動(dòng)力汽車中[1-2].在鋰離子電池的充/放電過程中，電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱和電流通過產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)逐漸積累，使得電池溫度超過電池的正常工作范圍、電池性能降低，甚至導(dǎo)致電池燃燒或者爆炸等危險(xiǎn)事故[3-4].因此，合適的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(battery thermal management system,BTMS)對(duì)于新能源汽車至關(guān)重要.

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的種類可分為空氣冷卻(風(fēng)冷)系統(tǒng)、液體冷卻(水冷)系統(tǒng)以及相變材料(phase change material，PCM)冷卻系統(tǒng)[5-7].其中，液體冷卻系統(tǒng)具有冷卻效率高、電池組溫度均勻性好等優(yōu)點(diǎn)[8-10].對(duì)于軟包及方形電池，冷卻板的應(yīng)用較為廣泛，其內(nèi)部帶有冷卻液流動(dòng)通道，冷卻液通過通道循環(huán)流動(dòng)帶走熱量.冷卻板一般布置在模組底部、模組側(cè)面，或者制成微小通道冷卻板夾在2塊電池之間.冷卻板具有形狀規(guī)則、集成度高、安全性和緊湊性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊[11].QIAN Z.等[12]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于小通道冷卻板的BTMS，通道平行分布，并研究了通道數(shù)量、入口質(zhì)量流量、冷卻液流速、流向和通道寬度對(duì)溫度的影響.結(jié)果表明，增加通道數(shù)量和質(zhì)量流量可以提高冷卻效率.DENG T.等[13]研究了冷卻通道的數(shù)量、通道布局和蛇形流道冷卻液入口溫度對(duì)BTMS冷卻性能的影響.結(jié)果表明，在長(zhǎng)度流動(dòng)方向上具有5個(gè)通道的布局具有最有效的冷卻性能，并且電池溫度會(huì)隨著冷卻劑入口溫度的增加而增加.

針對(duì)鋰離子電池在高倍率放電下溫度過高的問題，筆者以某型三元軟包鋰離子電池為研究對(duì)象，提出一種帶有細(xì)小通道冷卻板的電池?zé)峁芾斫Y(jié)構(gòu)，利用數(shù)值仿真對(duì)電池組的冷卻效果進(jìn)行分析，并研究冷卻液流速以及不同冷卻板流道結(jié)構(gòu)對(duì)電池溫度的影響.

1 鋰離子電池單體模型

1.1 單電芯集總處理

研究的目標(biāo)電池為NCM三元材料作為正極活性物質(zhì)的軟包電池，標(biāo)稱容量為27 A·h，電池三維尺寸為200 mm×150 mm×7.5 mm，由負(fù)極集流體(銅箔)、陽極、隔膜、陰極和正極集流體(鋁箔)構(gòu)成.在對(duì)電池進(jìn)行處理時(shí)，一般將電池視作具有等效熱物性的均質(zhì)體，何志堅(jiān)[14]利用試驗(yàn)方法測(cè)量了NCM軟包三元鋰離子電池的物性，筆者參考其試驗(yàn)值，選用的三元鋰離子電池的物性參數(shù)如下：電池密度為1 930 kg·m-3，比熱容為1 245 J·(kg·K)-1，厚度方向和長(zhǎng)寬方向的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.8、25.0 W·(m·K)-1.

1.2 鋰離子電池?zé)崮Ｐ?/h3>

根據(jù)D.BERNARDI等[15]提出的鋰離子電池生熱計(jì)算公式，電池發(fā)熱率為

(1)

式中：I為放電電流；V為電池體積；UOCV為開路電壓；U為電池工作電壓；T為電池溫度；Rj為焦耳內(nèi)阻；Rp為極化內(nèi)阻.

電池能量守恒方程為

(2)

式中：ρ和c分別為電池的密度和比熱容；λx、λy、λz分別為冷卻板在x、y、z方向上的熱導(dǎo)率.

電池內(nèi)阻與電池充放電倍率及電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)有關(guān)，采用混合脈沖功率特性試驗(yàn)(HPPC)測(cè)量電池在不同倍率及SOC下的內(nèi)阻.以放電倍率5 C為例，根據(jù)測(cè)試所得內(nèi)阻，計(jì)算得到的電池?zé)峁β是€如圖1所示.

圖1 電池?zé)峁β是€

在環(huán)境溫度為25 ℃、電池放電倍率為5 C時(shí)，電池平均溫度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖2所示，二者的誤差在5%以內(nèi)，表明仿真模型具有較好的精度.

圖2 電池平均溫度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 電池組仿真模型建立

2.1 鋰離子電池模組模型

使用UG8.0軟件建立三維模型，電池模組結(jié)構(gòu)如圖3a所示，模組由電池和冷卻板重復(fù)堆疊組成，每個(gè)冷卻板均位于2個(gè)電池之間，其厚度為2 mm.電池側(cè)面與冷卻板側(cè)面貼合，冷卻板較大的表面積確保與電池完全接觸，電池?zé)崃客ㄟ^液冷卻板的表面?zhèn)鬟f到冷卻板.冷卻劑從入口流入通道，經(jīng)流道循環(huán)吸收冷卻板熱量后流出，確保整個(gè)系統(tǒng)處于適當(dāng)溫度范圍.由于每塊電池冷卻情況較為獨(dú)立，為了節(jié)省仿真計(jì)算時(shí)間，取模組中間部分，保留2塊電池，兩側(cè)冷卻板取半板，并忽略發(fā)熱率不高，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的極耳部分，將計(jì)算模型簡(jiǎn)化為圖3b所示結(jié)構(gòu).

圖3 電池模組結(jié)構(gòu)及模型簡(jiǎn)化示意圖

2.2 計(jì)算網(wǎng)格生成

采用STAR CCM+進(jìn)行網(wǎng)格劃分.對(duì)流體域增加3層邊界層網(wǎng)格，總厚度為網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸的1/3.網(wǎng)格模型如圖4所示，對(duì)網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證以確保計(jì)算模型的準(zhǔn)確性.最終采用網(wǎng)格數(shù)為1 320 504個(gè)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算以平衡計(jì)算精度及計(jì)算時(shí)間.

圖4 模組網(wǎng)格模型示意圖

3 仿真結(jié)果分析

使用了STAR CCM+進(jìn)行了模型的仿真計(jì)算，模組中冷卻板與電池和空氣的接觸面為熱對(duì)流邊界條件，由于電池位于密封電池包內(nèi)，空氣流動(dòng)性差，其對(duì)流傳熱系數(shù)小于自然對(duì)流，一般取經(jīng)驗(yàn)值2 W·(m-2·K-1)[16]，冷卻液為體積分?jǐn)?shù)為50%的乙二醇水溶液，其25 ℃時(shí)的物性參數(shù)如下：密度為1 070.1 kg·m-3；比熱容為3 300 J· (kg· K)-1；導(dǎo)熱率為0.35 W · (m·K)-1；動(dòng)力黏度為0.003 39 Pa·s.冷卻液入口初始質(zhì)量流量為1 g·s-1，模組及冷卻液初始溫度為25 ℃.對(duì)放電倍率為5 C 的電池組進(jìn)行仿真，采用瞬態(tài)仿真方法，仿真時(shí)間步長(zhǎng)為1 s，每步迭代數(shù)為15 次，總放電時(shí)長(zhǎng)為684 s.

3.1 不同流道結(jié)構(gòu)的影響

為了研究流道形式對(duì)電池組溫度的影響，采用了4種流道形式的冷卻板，分別為常見的串行流道、并行流道、U形流道以及改進(jìn)的串并聯(lián)流道.不同流道采用相同的流道數(shù)量、流道寬度以及流道距離冷卻板上下邊的距離，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 不同流道結(jié)構(gòu)冷卻板示意圖

為了衡量電池溫度均勻性，引入電池體積溫度標(biāo)準(zhǔn)差，其定義為

(3)

式中：Tave為電池平均溫度.

4種結(jié)構(gòu)的電池溫度云圖如圖6所示，對(duì)于串行流道，其入口流道附近的溫度較低，出口流道附近溫度較高；對(duì)于并行流道，在遠(yuǎn)離入口的流道附近出現(xiàn)明顯高溫區(qū)；U形流道臨近出口處有小部分高溫；改進(jìn)方案是將串并聯(lián)流道進(jìn)行結(jié)合，其高溫區(qū)出現(xiàn)在出口附近.

圖6 不同流道結(jié)構(gòu)下的電池溫度分布

不同流道下，電池的最高溫度、最大溫差、電池體積溫度標(biāo)準(zhǔn)差以及冷卻液的進(jìn)出口壓降對(duì)比如表1所示.其中串行流道的溫度表現(xiàn)最好，但是其進(jìn)出口壓降相較于其他3組高出許多，這會(huì)極大增加冷卻系統(tǒng)寄生功率.而并行流道壓降最小，但由于存在冷卻液流速不均勻的情況，使得其高溫區(qū)溫度超過40 ℃，溫度表現(xiàn)最差，無法滿足要求.

表1 4種流道結(jié)構(gòu)的電池組冷卻效果

為了分析不同流道結(jié)構(gòu)的電池冷卻系統(tǒng)性能差異的形成原因，給出了不同流道下的冷卻液流速云圖，如圖7所示.

圖7 不同流道結(jié)構(gòu)下的冷卻液流速云圖

從圖7可以看出：串行流道中冷卻液流速最高，其最大流速達(dá)到了0.25 m·s-1，且流場(chǎng)分布最均勻，其具有4種流道中最佳的冷卻效果，但是，由于其為單流道，壓力損失最高；而并行流道在遠(yuǎn)離入口的3個(gè)流道出現(xiàn)了流速過低的情況，并在出口流道末端處出現(xiàn)了流動(dòng)死區(qū)，這是由于該處分流道遠(yuǎn)離冷卻液入口，分配的流量相對(duì)較小，導(dǎo)致該處的流速過低，從而使得該處的傳熱惡化，出現(xiàn)局部高溫的情況；串并聯(lián)流道由于將靠近冷卻液進(jìn)出口的3個(gè)流道改為串行單流道，減小了該處的冷卻液流量，使得遠(yuǎn)離入口的3個(gè)流道也能分配較多的冷卻液流量，從而使各流道的流速變得更加均勻，改善了電池組的溫度表現(xiàn).

根據(jù)表1綜合考慮溫度表現(xiàn)與壓降，認(rèn)為串并聯(lián)流道具有最好的冷卻效果.因此選取串并聯(lián)流道冷卻板進(jìn)行不同冷卻液流量及流道結(jié)構(gòu)尺寸影響研究.

3.2 不同冷卻液入口質(zhì)量流量的影響

保持冷卻液入口溫度以及環(huán)境溫度不變，調(diào)整冷卻液入口質(zhì)量流量在1 g·s-1到10 g·s-1區(qū)間內(nèi)變化.不同流量下，電池最高溫度、最大溫差及冷卻液壓降的變化曲線如圖8所示，當(dāng)質(zhì)量流量由1 g·s-1增加到5 g·s-1時(shí)，電池最高溫度下降了6.81 ℃；質(zhì)量流量由5 g·s-1增加至10 g·s-1時(shí)，電池最高溫度僅下降了1.06 ℃，電池最高溫度開始趨于穩(wěn)定.這說明僅依靠增加入口流量來降低電池溫度會(huì)隨著流量的增大而受到限制.這是由于當(dāng)冷卻液流量增大到一定值之后，受電池厚度方向較小的熱導(dǎo)率限制，電池內(nèi)部的溫度難以繼續(xù)降低.隨著冷卻液流量的增加，電池表面的高溫區(qū)從冷卻液出口區(qū)域向電池中間區(qū)域轉(zhuǎn)移，且表面的高溫區(qū)域逐漸消失，同時(shí)在厚度方向出現(xiàn)明顯的溫度梯度.電池最大溫差也呈現(xiàn)出類似趨勢(shì)，在冷卻液入口質(zhì)量流量由1 g·s-1增加到5 g·s-1時(shí)，電池最大溫差下降了5.35 ℃，而隨著質(zhì)量流量增加至10 g·s-1時(shí)，電池最大溫差僅下降了0.82 ℃，在冷卻液質(zhì)量流量高于5 g·s-1時(shí)，對(duì)于改善電池溫度效果有限.此外由圖8c可知，冷卻液入口質(zhì)量流量的增加會(huì)增大冷卻液進(jìn)出口壓降，增大寄生功率.因此，綜合冷卻性能與壓降表現(xiàn)，選取冷卻液入口質(zhì)量流量為5 g·s-1進(jìn)行流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析.

圖8 不同質(zhì)量流量下電池最高溫度、最大溫差及冷卻液壓降的變化曲線

3.3 不同流道寬度的影響

在冷卻液入口質(zhì)量流量為5 g·s-1時(shí)，選取流道寬度分別為1、5、9、13、17 mm共5組進(jìn)行電池溫度仿真分析，部分電池溫度云圖如圖9所示.

圖9 不同流道寬度下電池溫度云圖

從圖9可以看出：隨著流道寬度的增加，高溫區(qū)由靠近入口串行流道處轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離入口并行流道處.其原因?yàn)樵诹鞯缹挾容^小時(shí)串行區(qū)域流動(dòng)阻力較大，使得并行區(qū)域冷卻液流量分配較多，冷卻液流速更快，冷卻更加充分，而隨著流道寬度增大，串行區(qū)域由于靠近冷卻液入口，流量逐漸增大，改善了該處冷卻條件.

不同流道寬度下電池溫度、最大溫差及壓降變化曲線如圖10所示，電池的平均溫度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是由于冷卻流道寬度的增加，使得冷卻液與冷卻板換熱面積增大，有利于傳熱.但是流道寬度的增加會(huì)使得流道截面積增大，降低冷卻液流速，可能給換熱造成不利影響，而電池平均溫度的下降則意味著在寬度增大的過程中，冷卻液接觸面積的增大給換熱帶來的積極作用占主導(dǎo)地位.電池最高溫度和最大溫差則在流道寬度超過9 mm后有略微上升，其原因?yàn)殡S著流道寬度的增大，并聯(lián)區(qū)域分配的流量變小，同時(shí)流速也相對(duì)減小，使得高溫區(qū)沒有得到足夠冷卻.此外冷卻流道寬度的增加可以降低冷卻液進(jìn)出口壓降，但趨勢(shì)會(huì)隨著流道寬度的增加而逐漸變緩.

圖10 不同流道寬度下電池溫度、最大溫差及壓降變化曲線

3.4 不同流道高度的影響

流道高度分別為0.4、0.7、1.0、1.3、1.6 mm時(shí)，電池最高溫度、最大溫差、冷卻液最大流速及冷卻液最高溫度的變化曲線如圖11所示，隨著流道高度的增加，電池最高溫度升高了0.94 ℃，同時(shí)，電池的最大溫差也上升了0.55 ℃.這說明流道截面積的增加并不總能帶來更好的冷卻性能，流道高度的增大雖然意味著冷卻液與冷卻板有更大的接觸面積，但是在流量一定的情況下，更大的流道截面積使得冷卻液的流速更低.從圖11c可以看出，在恒定流量下，冷卻液最大流速?gòu)?.7 m·s-1下降到0.4 m·s-1，這使得冷卻液溫度從28.3 ℃升高到29.3 ℃.冷卻液溫度的升高使得對(duì)流傳熱的熱流密度降低，進(jìn)而導(dǎo)致電池溫度的升高.這說明高度方向上流道尺寸的小幅增加帶來的正面效果小于流速的減小所引起的負(fù)面效果，從而導(dǎo)致整個(gè)冷卻板的冷卻效果降低.

圖11 不同流道高度下電池最高溫度、最大溫差、冷卻液最大流速及冷卻液最高溫度的變化曲線

4 結(jié) 論

1) 與傳統(tǒng)串行流道、并行流道及U形流道冷卻板相比，采用串并聯(lián)結(jié)合流道的冷卻板冷卻液流速分布更加均勻，且具有較好的溫度表現(xiàn)及壓力表現(xiàn).

2) 冷卻液入口質(zhì)量流量的增加會(huì)降低電池的最高溫度以及溫差，但在到達(dá)5 g·s-1之后電池溫度降低幅度會(huì)逐漸變緩.不能僅通過增大冷卻液流量來改善電池溫度表現(xiàn).

3) 流道寬度的增加會(huì)使最高溫度以及最大溫差先減小后增大，而電池的平均溫度及冷卻液進(jìn)出口壓降會(huì)隨流道寬度增加而逐漸降低，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮冷卻板強(qiáng)度問題.

4) 流道高度的增加會(huì)惡化電池溫度表現(xiàn)，使電池的最高溫度以及溫差增加，但是較小流道高度會(huì)使得冷卻液壓力損失增大，在流道設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡壓降與溫度表現(xiàn).