周科 柯秀芳 張國慶 李新喜 吳衛(wèi)鋒

廣東工業(yè)大學材料與能源學院

0 引言

在目前的動力電池熱管理中，鋰離子電池熱管理系統(tǒng)可以包括三種：空氣冷卻[1-2]、液體冷卻[3-4]、相變冷卻[5-6]。而液體冷卻中，基于液冷板的鋰離子電池熱管理系統(tǒng)已經(jīng)成為了主流。但是現(xiàn)有的針對液冷系統(tǒng)的研究方法比較復雜，實現(xiàn)率不高，不利于實際的工程應用。因此從安全簡單、節(jié)能高效、價格低廉等角度出發(fā)，本文設(shè)計了一種復合的液冷板，探討不同材質(zhì)的管道和鋁板結(jié)合，挑選出最優(yōu)結(jié)合的鋰離子動力電池用的電池熱管理系統(tǒng)并通過模擬的手段進行驗證。

本系統(tǒng)采用鋁板分別和蛇形銅管、蛇形鋁管、蛇形塑料管復合的形式對 10 塊電動汽車用鋰離子電池進行熱管理。探究了鋰離子電池以1C 倍率充電（電池的標稱為 3.65V/25AH,即采用 25AH 充電），在 1C、2C、3 C、4 C（25AH、5 0AH、7 5AH、1 00AH）倍率放電下，該系統(tǒng)對鋰離子電池產(chǎn)熱的影響，比較了三種復合液冷板的冷卻效果及電池模組的最大溫差。

1 復合液冷板的設(shè)計

為了研究不同材質(zhì)管道復合鋁板在鋰離子動力電池熱管理系統(tǒng)中的應用情況，本文設(shè)計了管道材質(zhì)分別為銅管，鋁管，塑料管與鋁板復合的液冷板。圖1、2、3 是復合液冷板的構(gòu)建，各分為三部分，兩塊鋁板，一個蛇形管，將左右兩邊合起來組成一個復合液冷板。如圖1 所示，為銅管復合鋁板的液冷板構(gòu)件。如圖2 所示，為鋁管復合鋁板的液冷板構(gòu)件。如圖 3 所示，為塑料管復合鋁板的液冷板構(gòu)。用兩塊鋁板將管道分別夾住，板的間隙為 2 mm，液冷板的實物如圖 4 所示。如圖 5 所示為液冷板與電池模組結(jié)合的實物圖。表1 所示為所用各構(gòu)件的物性參數(shù)。

圖1 銅管復合鋁板的液冷板構(gòu)件

圖2 鋁管復合鋁板的液冷板構(gòu)件

圖3 塑料管復合鋁板的液冷板構(gòu)件

圖4 三種復合液冷板

圖5 電池模組

表1 管道構(gòu)件的物性及設(shè)置參數(shù)

2 復合液冷板組件電池模組的熱管理實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)與實驗方法

實驗系統(tǒng)包括新威新能源電池電池測試系統(tǒng)（IGBT-100V/300A-2）、T 型熱電偶（TT-T-36-SLE）、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀（Agilent-34972A）、計算機構(gòu)成。

本文中使用10 塊方形電池串聯(lián)的模組，電池為磷酸鐵鋰電池（36.5V/100Ah），將T 型熱電偶分別布置在每塊電池的兩個表面中部，整個模組一共布置了20 根熱電偶。在恒溫箱 35± 1 ℃的密閉環(huán)境中對電池模組進行自然冷卻、復合管板冷卻的充放電過程測試。如圖6 為模組中電池分布圖，水流以六進六出的形式進出。用安捷倫記錄充放電過程各監(jiān)測點的溫度變化。

圖6 模組中電池分布圖

本實驗采用的充放電測試過程：①恒流恒壓充電：1C 倍率充電。② 擱置：30 min。③恒流放電：1C/2C/3C/4C 倍率放電。④擱置：3 0 min。

經(jīng)過5 次充放電循環(huán)，取放電過程中每個電池的兩個表面溫度平均值作為電池的表面溫度。最高的電池表面溫度與最低的電池表面溫度之差即是電池模組的最大溫差，本文通過比較電池最高表面溫度和最大溫差，研究采用不同管材的液冷板在不同放電倍率下的散熱性能。

2.2 實驗結(jié)果及分析

2.2.1 不同管材復合液板冷卻在電池模組中的散熱不同特性

如圖 7～12 分別為電池模組在 1C、2 C、3 C、4 C 放電倍下五次充放電循環(huán)的最高表面溫度和最大溫差特性曲線，冷卻方式分別是①自然冷卻、②塑料管/鋁板冷卻、③鋁管/鋁板冷卻、④銅管/鋁板冷卻方式。

在1C 放電倍率下，如圖7 所示，四種冷卻方式的模組最高溫度均不超過55 ℃，并且4 種冷卻方式下電池模組充放電過程電池的溫度變化比較均勻，溫度最高的自然冷卻均能滿足電池熱管理的要求。銅管/鋁板冷卻效果最好，明顯優(yōu)于自然冷卻，兩者的最大溫度相差了12.4 ℃。如圖8 所示，四種冷卻方式在1C 放電倍率下最大溫差都在5 ℃以內(nèi)，即四種冷卻方式都能滿足動力電池熱管理的要求，其中銅管/鋁板冷卻的溫差最小，為 1.89 ℃。自然冷卻的溫差最大，為4.76 ℃。

圖7 1C 放電倍率下不同冷卻方式最高溫度對比圖

圖8 1C 放電倍率下不同冷卻方式最大溫差對比圖

在 2C 放電倍率下，如圖 9 所示，在自然冷卻時，最高溫度達到 61.27 ℃，已經(jīng)超出鋰離子動力電池的安全工作溫度。其余三種冷卻方式中，均能滿足鋰離子動力電池熱管理的要求。銅管/鋁板冷卻的效果最好，其與自然冷卻相比，放電階段的最高為 46.59 ℃，下降了 23.34%，比安全溫度低了 7.41 ℃；最大溫差為3.26 ℃。如圖10 所示，在四種冷卻方式中，雖然塑料管/鋁板冷卻最高溫度為51.97 ℃，但是最大溫差超過了5 ℃的安全溫差，達到 6.17 ℃。此時鋁管/鋁板冷卻和銅管/鋁板冷卻均能滿足了鋰離子動力電池熱管理的要求。

圖9 2C 放電倍率下不同冷卻方式最高溫度對比圖

圖10 2C 放電倍率下不同冷卻方式最大溫差對比圖

圖11 3C 放電倍率下不同冷卻方式最高溫度對比圖

圖12 3C 放電倍率下不同冷卻方式最大溫差對比圖

如圖11 和圖2 所示，分別為在 3C 倍率放電下四種冷卻方式的最高溫度和最大溫差圖。隨著電池產(chǎn)熱量的加大，自然冷卻、塑料管/鋁板冷卻都超過55 ℃，雖然鋁板/ 鋁管冷卻的最高溫度為 54.62 ℃已接近55 ℃，并且最大溫差為5.12 ℃，以上三種都已不能滿足鋰離子動力電池熱管理的要求。銅管/鋁板冷卻的最高溫度為47.21 ℃，最大溫差為3.56 ℃，仍然是理想的電池熱管理效果。

圖13、圖14 分別是在4C 倍率放電下不同冷卻方式的最高溫度和最大溫差圖。由兩圖可發(fā)現(xiàn)，4 C 倍率放電時電池會產(chǎn)生大量的熱，在自然冷卻的方式下電池最高溫度達到了 78.24 ℃，遠遠出超出55 ℃的電池安全工作溫度，并且自大溫差達到 10.17 ℃，超出安全溫差兩倍。塑料管/鋁板冷卻、鋁板/鋁管冷卻的最高溫度分別為 61.95 ℃、5 6.77 ℃，最大溫差也都超過5 ℃的安全溫差。銅管/ 鋁板冷卻的最高溫度為48.46 ℃，最大溫差4.11 ℃，依然滿足了電池熱管理的要求。

圖13 4C 放電倍率下不同冷卻方式最高溫度對比圖

圖14 4C 放電倍率下不同冷卻方式最大溫差對比圖

2.2.2 4C 倍率放電下水的入口溫度對銅管/鋁板冷卻的影響

如圖 15～16 分別為電池模組在 35 ℃環(huán)境溫度中以4C 倍率放電時，分別取 A 入口 25 ℃水的銅管/ 鋁板冷卻、B 入口 30 ℃水的銅管/ 鋁板冷卻、C 入口35 ℃水的銅管/鋁板冷卻。圖中可以看出，經(jīng)過4C 倍率的5 次充放電循環(huán)，三種不同溫度水流下銅管/鋁板冷卻電池組的最高溫度分別為入口35 ℃水的銅管/鋁板冷卻 58.49 ℃、入口 30 ℃水的銅管/ 鋁板冷卻48.46 ℃、入口 25 ℃水的銅管/ 鋁板冷卻 44.59 ℃,最大溫差分別為 8.15 ℃、4.17 ℃、1.96 ℃，即水的入口溫度超過 35 ℃時銅管/ 鋁板復合液冷板失去電池熱管理的作用。

圖15 4C 放電倍率下不同水入口溫度下銅管/鋁板冷卻最高溫度對比圖

圖16 4C 放電倍率下不同水入口溫度的銅管/鋁板冷卻最大溫差對比圖

3 結(jié)論

本文建立了自然冷卻、塑料管/ 鋁板冷卻、鋁管/鋁板冷卻、銅管/鋁板冷的電池熱管理模組以及銅管/鋁板冷卻的ANSYS-fluent 的模擬。通過實驗四種冷卻分別在 1C、2 C、3 C、4 C 倍率放電下的熱特性探究，以及在 4C 倍率放電下銅管/ 鋁板冷卻的模擬探究得出以下結(jié)論：

1）在 1C 倍率放電下，四種冷卻方式的最高溫度為53.15 ℃，最大溫差為4.67 ℃，均能滿足鋰離子動力電池的熱管理要求。但是隨著放電倍率的增加，自然冷卻、塑料管/鋁板冷卻在2C 倍率放電下都不能滿足鋰離子動力電池熱管理要求。在 3C 倍率放電下，自然冷卻、塑料管/鋁板冷卻、鋁管/鋁板冷卻的最高溫度和最大溫差都超過鋰離子安全運行溫度和最大安全溫差。在4C 倍率放電時，自然冷卻、塑料管/ 鋁板冷卻、鋁管/鋁板冷卻的最高溫度分別高達78.23 ℃、61.37 ℃、5 6.95 ℃，最大溫差分別為10.07 ℃、8.56 ℃、6.24 ℃，均超出鋰離子安全運行的最高55 ℃和最大溫差5 ℃。而銅管/鋁板冷卻在1C、2 C、3 C、4 C 放電倍率下的最高溫度分別為 40.53 ℃、4 6.59 ℃、4 7.21 ℃、48.46 ℃，最大溫差分別為 1.89 ℃、3.26 ℃、3.56 ℃、4.11 ℃，對于鋰離子安全運行的最高55 ℃和最大溫差5 ℃而言，銅管/鋁板冷卻均滿足要求。

2）銅管/鋁板冷卻在水的入口溫度為 35 ℃情況下，電池模組的最高溫度超過 55 ℃，最大溫差大于5 ℃，不能滿足鋰離子動力電池熱管理的要求。由此可以得出本文提出的銅管/ 鋁板復合管板冷卻在 35 ℃環(huán)境溫度下，水的流量為 4 ml/s，水的初始溫度 30 ℃的熱管理系統(tǒng)最符合鋰離子動力電池熱管理要求。