錢欣哲，沈凱

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

若動(dòng)力電池自身溫度過高，會(huì)使其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的速率超過設(shè)定的安全閾值，造成諸如極片等危險(xiǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)上的破壞。高溫下電池的實(shí)際容量和內(nèi)阻與額定值相比也會(huì)有較大變化，造成整個(gè)電池模塊過充電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電池的使用壽命。維持不同工況下電池內(nèi)部溫度的熱均勻性，對電池組性能的保持至關(guān)重要。電池模塊內(nèi)部各個(gè)電池的內(nèi)阻和實(shí)際容量會(huì)因?yàn)閮?nèi)部溫度不均勻性產(chǎn)生巨大的差異，從而導(dǎo)致一部分電池正常工作的工況下，另一部分電池已經(jīng)出現(xiàn)了過充電和過放電的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了電池的壽命和使用性能。所以，根據(jù)具體的電池模塊的總體布置，為其設(shè)計(jì)一款能同時(shí)降低電池最高溫度和改善其內(nèi)部熱不均勻性的相配套的冷卻系統(tǒng)十分必要[1-3]。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型的建立

該車用動(dòng)力電池模型共包含4 個(gè)電池模組和液冷板。其中，初始冷卻板流道如圖1 所示。采用4 條直流流道，直流流道的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)較為簡單，流道長度較短，進(jìn)出口壓降較小，對輔助系統(tǒng)的功率要求也不高。

圖1 液冷板系統(tǒng)初始流道幾何圖Fig.1 Initial flow channel geometry of liquid cooling plate system

4 個(gè)電池模組按圖2 所示，左邊3 個(gè)電池模組并排放置在冷卻板上，右邊一個(gè)電池模塊豎直放置。每個(gè)電池模組由18 個(gè)單體方形電池相互串聯(lián)而成，并由橡膠將它們的側(cè)面連接。

圖2 電池模塊幾何圖Fig.2 Battery module geometry

橡膠的厚度為2 mm,單體電池的大小為78 mm×48 mm×103 mm。整個(gè)電池模塊的大小為722 mm×296 mm×103 mm，電池模組與冷板之間以導(dǎo)熱膠連接，導(dǎo)熱膠的厚度為2 mm。

1.2 材料屬性

電池正極材料為鋁，密度2 719 kg/m3，比熱容為871 J/(kg·k)，導(dǎo)熱系數(shù)為202.4 W/(m·k)；電池負(fù)極材料為銅，密度為3 978 kg/m3，比熱容為381 J/(kg·k)，導(dǎo)熱系數(shù)為387 W/(m·k)；硅膠密度為2 092 kg/m3，比熱容為1 500 J/(kg·k)，導(dǎo)熱系數(shù)為2 W/(m·k)；電池材料密度為2 092kg/m3，比熱容為678 J/(kg·k)，電池導(dǎo)熱系數(shù)為18.2 W/(m·k)。

2 不同環(huán)境溫度電池包熱流場分析

2.1 仿真計(jì)算

仿真環(huán)境溫度工況為24，27，30，35，40，45 ℃，冷卻液溫度為24 ℃。以2 號模組為重點(diǎn)監(jiān)測對象，仿真計(jì)算其在1C 工況下一個(gè)完整的充電周期后的3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（電池模組上部，電池模組下部遠(yuǎn)離流道處，電池模組下部靠近流道處）的溫度。根據(jù)單體電池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電池容量為153 Ah，1C 工況下的充電電流為156 A。進(jìn)液流量為400 L/h。

表1—表6 分別為環(huán)境溫度為24，27，30，35，40，45 ℃時(shí)，電池模塊溫度數(shù)據(jù)。

表1 環(huán)境溫度24 ℃時(shí)電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.1 Temperature data of battery module when ambient temperature is 24 ℃

表2 環(huán)境溫度27 ℃時(shí)電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.2 Temperature data of battery module when ambient temperature is 27 ℃

表3 環(huán)境溫度30 ℃時(shí)電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.3 Temperature data of battery module when ambient temperature is 30 ℃

由表1—表6 可知，與環(huán)境溫度24 ℃相比，在環(huán)境溫度為27，30，35，40，45 ℃時(shí)，電池模塊的最高溫度與初始溫度溫差分別下降了12.09%，26.06%，40.89%，57.24%，76.15%；與環(huán)境溫度24 ℃相比，在環(huán)境溫度為27，30，35，40，45 ℃時(shí)，電池上下部監(jiān)測點(diǎn)最大溫差分別上升了25.09%，81.19%，120.18%，200.00%，314.22%；與環(huán)境溫度為24 ℃相比，在環(huán)境溫度為27，30，35，40，45 ℃時(shí)，電池下部靠近與遠(yuǎn)離流道處溫差分別上升了34.74%，40.85%，123.94%，205.16%，320.19%。

表4 環(huán)境溫度35℃時(shí)電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.4 Temperature data of battery module when ambient temperature is 35℃

表5 環(huán)境溫度40 ℃時(shí)電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.5 Temperature data of battery module when ambient temperature is 40 ℃

表6 環(huán)境溫度45℃時(shí)電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.6 Temperature data of battery module when ambient temperature is 45℃

2.2 不同環(huán)境溫度電池包散熱性能分析

由表1—表6 及圖3 可知，隨著環(huán)境與冷卻液溫差加大，模組內(nèi)部最大溫差不斷上升，且其上升斜率也呈上升趨勢，直接威脅到電池模塊正常充放電性能。電池模組內(nèi)部溫差主要表現(xiàn)在同一電池上下部溫差和同一電池模組不同電池間的溫差。

2.2.1 同一電池上下部溫差

電池上部溫度高于下部溫度是由于冷卻液帶走了電池模塊下部的熱量，而電池上部的熱量還來不及傳遞到電池模塊的下部導(dǎo)致的。

雖然電池模塊最大溫升隨著環(huán)境溫度的增加有小幅度降低，但考慮到高溫環(huán)境工況下電池的初始溫度受環(huán)境溫度影響本來就很高，電池模塊的最高溫度的略微上升就足以威脅到電池的安全性能。如果是在空間充裕的大型客車上使用，可以在靠近電池模塊上部的位置加裝強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)來降低電池上部的最高溫度。

2.2.2 同一電池模組不同電池間的溫差

同樣，由表1—表6 可知，在電池模組的下部，靠近流道的電池監(jiān)測點(diǎn)溫度和遠(yuǎn)離流道的電池監(jiān)測點(diǎn)溫度相比溫差也很大。換言之，同一電池模組不同電池下部的熱均勻性很差。原因是冷卻板流道在電池模塊下部各個(gè)區(qū)域中分布不均勻。同一個(gè)電池模塊內(nèi)部各個(gè)電池的內(nèi)阻和實(shí)際容量會(huì)因?yàn)槠淇拷蜻h(yuǎn)離流道所產(chǎn)生的溫度不均勻性而產(chǎn)生巨大的差異，從而導(dǎo)致一部分電池正常工作的工況下，另一部分電池已經(jīng)出現(xiàn)了過充電和過放電的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了電池的壽命和使用性能。

如圖3 所示，最高溫升曲線和內(nèi)部溫差曲線的交點(diǎn)在冷卻液自身溫度與環(huán)境溫度相差6～9 ℃之間。所以，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量選用自身溫度與環(huán)境溫度相差6～9 ℃的冷卻液。在環(huán)境溫度較高的惡劣工況下，必須采取其他優(yōu)化方案來改善電池模塊的熱不均勻性。

圖3 不同環(huán)境與冷卻液溫差的電池模塊溫度數(shù)據(jù)比較Fig.3 Comparison of battery module temperature data under different environment and coolant temperature difference

綜上所述，在不做其他優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件下，簡單的直流道液冷流道結(jié)構(gòu)無法應(yīng)對此類較為復(fù)雜的電池模組放置結(jié)構(gòu)。因?yàn)?，同一個(gè)電池模塊內(nèi)部各個(gè)電池?zé)岵痪鶆蛐运斐傻奈：ψ畲螅酉聛碇夭扇∑渌麅?yōu)化措施改善電池模組下部靠近和遠(yuǎn)離流道處電池之間的溫差，以改善同一電池模組內(nèi)部不同電池的熱不均勻性。

3 不同進(jìn)液流量電池包熱流場分析

在實(shí)際中，為了保護(hù)水泵不被損壞，冷卻系統(tǒng)的進(jìn)液流量的最大值受到一定的限制。

以2 號模組為重點(diǎn)監(jiān)測對象，仿真計(jì)算其在1C 工況下一個(gè)完整的放電周期后在350，400，450，500 L/h 時(shí)的各個(gè)主要監(jiān)測點(diǎn)的溫度,通過計(jì)算得到表7—表9。

表7 27 ℃環(huán)境溫度下電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.7 Temperature data of battery module at 27 ℃ ambient temperature

表8 35 ℃環(huán)境溫度電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.8 Temperature data of battery module at 35 ℃ ambient temperature

表9 45 ℃環(huán)境溫度下電池模塊溫度數(shù)據(jù)Tab.9 Temperature data of battery module at 45 ℃ ambient temperature

由表7—表9 和圖4 可知，在環(huán)境溫度27 ℃時(shí)，與350 L/h 的流速相比，在400，450，500 L/h時(shí)，電池模塊最高溫升分別下降6.00%，6.50%，3.46%，內(nèi)部溫差分別下降7.37%，8.5%，5.3%；在環(huán)境溫度為35 ℃，與350 L/h 的流速相比，在400，450 L/h 電池模塊最高溫升分別下降0.86%，4%，在500 L/h 時(shí)反而上升了8.85%。同樣，在400，450 L/h 電池模塊內(nèi)部溫差下降了1.4%，4.4%，500 L/h 時(shí)，反而上升了8.85%；在環(huán)境溫度為45 ℃，與350 L/h 的流速相比，在400，450 L/h 電池模塊最高溫升分別下降了2.1%，11.2%，在500 L/h 時(shí)，反而上升了4.2%。同樣，在400，450 L/h 電池模塊內(nèi)部溫差下降了1.57%，4.86%，500 L/h 時(shí)，反而上升了0.84%。

圖4 不同環(huán)境溫度下主動(dòng)式液冷系統(tǒng)電池模塊內(nèi)部最大溫升比較Fig.4 Comparison of maximum temperature rise in battery module of active liquid cooling system under different ambient temperatures

由此可知，適當(dāng)增加進(jìn)液流量到450 L/h 可同時(shí)降低電池模塊的最高溫升，改善單個(gè)電池模塊內(nèi)部的熱均勻性，但繼續(xù)增加進(jìn)液流量，該主動(dòng)式液冷系統(tǒng)的散熱性能不增反退。在45 ℃的極端工況下，即使采用450 L/h 的進(jìn)液流量，46.49 ℃的最高溫度和9.58 ℃的電池內(nèi)部最大溫差也會(huì)使電池處于安全性能非常危險(xiǎn)的工況之下。換言之，通過增加進(jìn)液流量改善電池內(nèi)部熱不均勻性的效果有限，為達(dá)到理想電池能夠安全工作的散熱性能，必須采用新的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 蛇形流道設(shè)計(jì)思路

流道優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于降低電池內(nèi)部最大溫差，改善其熱不均勻性。流道優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于改善電池同一模塊中不同電池的熱均勻性。并且通過上節(jié)可知，增加進(jìn)液流量到450 L/h 后，繼續(xù)增加進(jìn)液流量，電池的最高溫度和內(nèi)部最大溫差不降反升，一味增大流道流徑并不可取。

根據(jù)要同時(shí)兼顧盡可能增大流道流經(jīng)電池模塊底部的面積和流道盡可能均勻地分布在單個(gè)電池模組的各個(gè)部分兩大設(shè)計(jì)要求的思路，設(shè)計(jì)了如圖5 所示的蛇形流道。

圖5 蛇形冷卻液流道Fig.5 Serpentine coolant passage

直流流道流速較低，使冷卻液流場處于層流狀態(tài)，不利于電池模塊散熱。與原先的多流道直流流道相比，該冷卻板只有一條蛇形流道，擁有更小的流場橫截面積。水泵提供相同的流量時(shí)，蛇形流道中的冷卻液流速更快，形成湍流的概率更大，有利于提高冷卻液與流道之間的換熱效率。但是，由于蛇形管道相較多，直流形管道流道更長，有更多的拐點(diǎn)造成了更多形狀阻力，進(jìn)出口的壓降更大，造成了較多的能量損失，對水泵等輔助系統(tǒng)的要求較高，降低了整個(gè)電池-冷卻液系統(tǒng)的效率。

蛇形管道和電池模組接觸的表面積比直流流道大得多，因此，可以顯著降低電池模組的最高溫升。又由于蛇形管道均勻地分布在單個(gè)電池模塊下部，可以很好地改善單個(gè)電池模組不同單體電池之間的熱均勻性。

4.2 不同流道仿真結(jié)果對比

仿真結(jié)果如表10 所示。優(yōu)化后的蛇形流道冷卻系統(tǒng)極大地改善了單個(gè)電池模塊內(nèi)部熱均勻性，即環(huán)境溫度為45 ℃時(shí)，現(xiàn)蛇形流道最大溫差在200，350，400，450 L/h 進(jìn)液流量下，與原直流冷卻流道相比分別下降了31.16%，31.87%，35.21%，20.15%。

表10 兩種流道下電池模組內(nèi)部最大溫差Tab.10 Maximum internal temperature difference of two channel battery modules

5 定時(shí)換向裝置

蛇形結(jié)構(gòu)冷卻流道在進(jìn)口處的散熱性能較為出色是因?yàn)殡姵嘏c冷卻液初始溫差較大，帶走了很多熱量。但在出口處，由于冷卻液在之前的流道中吸熱升溫，與出口處電池模組溫差較小，所以散熱性能較差，造成了電池模組之間的溫度不均勻性，經(jīng)過長時(shí)間的積累，也會(huì)危害到電池安全性能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出能夠降低冷卻液進(jìn)出口附近不同電池模組間的溫差的冷卻系統(tǒng)就顯得十分重要。

由表11 可知，在原系統(tǒng)室溫45 ℃，進(jìn)液流量450 L/h 時(shí)，設(shè)置每300，600，1 200，1 800 s，冷卻液進(jìn)出口流向?qū)Q一次，均可有效降低電池模組內(nèi)部溫差。在Fluent 中，以進(jìn)口處1 號模組和出口處的4 號模組的體平均溫度設(shè)置監(jiān)視器，計(jì)算其溫差。從1 800 s 到600 s，電池包內(nèi)部最大溫差下降很快，熱均勻性得到很大的改善，溫差降到了5 ℃以內(nèi)；周期從600 s 增加到300 s,內(nèi)部溫差僅有小幅度的下降。所以，采取周期為600 s 的定時(shí)換向裝置就可以滿足當(dāng)前電池包正常工作對液冷系統(tǒng)的要求。

表11 定時(shí)換向周期下1 號和4 號模組體平均溫度溫差Tab.11 Average temperature difference between module 1 and module 4 under different timing commutation cycle

6 結(jié)論

本文采用模擬計(jì)算方法設(shè)置環(huán)境溫度與冷卻液溫差為變量，分析了液冷式電池組的冷卻效果。為改善電池組在室溫與冷卻液溫度相差過大工況下的散熱性能，從進(jìn)液流量和冷卻液流向和冷板流道結(jié)構(gòu)3 個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：

（1）在環(huán)境與冷卻液溫差更大的工況下，電池遠(yuǎn)離冷板流道和上部的散熱性能更差。隨著環(huán)境與冷卻液溫差加大，模塊內(nèi)部最大溫差不斷上升，且其上升斜率也呈上升趨勢，直接威脅到電池模塊的正常充放電性能。電池模塊最大溫升雖然隨著環(huán)境溫度的增加有小幅度降低，但考慮到高溫環(huán)境工況下電池的初始溫度受環(huán)境溫度影響本來就很高，電池模塊的最高溫度的略微上升就足以威脅到電池的安全性能。所以，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量選用自身溫度與環(huán)境溫度相差6～9℃的冷卻液.在環(huán)境溫度較高的惡劣工況下，必須采取其他優(yōu)化方案來改善電池模塊的熱不均勻性；

（2）在進(jìn)液流量很少的情況下，適當(dāng)增加液流量450 L/h，可以改善主動(dòng)式液冷系統(tǒng)的散熱性能。此時(shí)，進(jìn)一步增加進(jìn)液流量，主動(dòng)式散熱系統(tǒng)的冷卻性能反而會(huì)下降；

（3）與原先的多流道直流流道相比，該冷卻板只有一條蛇形流道，擁有更小的流場橫截面積。水泵提供相同的壓力時(shí)，蛇形流道中的冷卻液流速更快，形成湍流的概率更大，有利于提高冷卻液與流道之間的換熱效率。同時(shí)，與電池模組接觸的表面積也更大，因此，可以顯著降低電池模塊的最高溫升。又由于蛇形管道均勻地分布在單個(gè)電池模塊下部，可以很好地改善單個(gè)電池模組不同單體電池之間的熱均勻性。仿真結(jié)果表明，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效降低電池模塊在極端惡劣工況下的最高溫度和同一模塊不同電池最大溫差，有效改善電池的安全管理性能。

（4）通過給主動(dòng)式液冷系統(tǒng)增加定時(shí)換向裝置，可以有效降低不同電池模組之間的熱不均勻性，提高電池安全性能。