吳曉剛，齊明山，杜玖玉，N.I.Shchurov，A.A.Shtang

（1.哈爾濱理工大學(xué)，汽車電子驅(qū)動(dòng)控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心，哈爾濱 150080；2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；3.俄羅斯新西伯利亞國(guó)立技術(shù)大學(xué)電氣工程教研室，俄羅斯新西伯利亞 630073）

前言

鋰離子電池具有比能量高、自放電率低和循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車中。已有研究表明，鋰離子電池性能很大程度上受到環(huán)境溫度的影響。在動(dòng)力電池組以不同充電倍率運(yùn)行時(shí)，電池組內(nèi)的溫度對(duì)電池的內(nèi)阻、性能和循環(huán)壽命有很大影響。特別是使用三元（鎳鈷錳，NCM）動(dòng)力電池組時(shí)，雖然能夠提升電池組的能量密度，但其較差的熱穩(wěn)定性對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前電動(dòng)汽車運(yùn)行中常采用液冷系統(tǒng)對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。Xia等在液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究中，在液冷板內(nèi)部設(shè)計(jì)了斜翅片，提高了熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)，增大了冷板與模組接觸面積，使動(dòng)力電池組的最高溫度降低1℃，溫差降低2℃。但該研究并未考慮流體壓降的影響，導(dǎo)致電池消耗更多的電量。申明等在對(duì)高功率、高比能動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究中，提出了結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的直冷式冷卻裝置，并從系統(tǒng)溫度響應(yīng)和能耗的角度分析電池組溫度、系統(tǒng)的制冷效率和?效率。結(jié)果表明，直冷式冷卻系統(tǒng)具有較快的溫度響應(yīng)特性，在高溫高速的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)工況下都可以對(duì)電池進(jìn)行快速降溫，但系統(tǒng)?效率僅為46.17%，存在進(jìn)一步提升空間。Worwood等通過金屬散熱盤與熱管兩端相連的方式，優(yōu)化圓柱形電池的熱管冷卻結(jié)構(gòu)，利用電池內(nèi)部更有效的軸向?qū)崧窂?，提高熱管的熱傳遞效率。但散熱盤和熱管的引入使其能量密度降低，電池組質(zhì)量增加。Bandhauer等為消除電池內(nèi)部溫升及熱梯度，引入微通道相變的概念，對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)部冷卻方式進(jìn)行改進(jìn)，從而改善了車用磷酸鐵鋰電池的溫度均勻性。Deng等對(duì)蛇形冷板通道的數(shù)量及其布置和入口溫度進(jìn)行研究，有效預(yù)測(cè)了主流道方向的布置對(duì)冷卻效果影響最大，結(jié)果使最高溫度降低至26℃。Patil等則對(duì)U型轉(zhuǎn)向式微通道冷板進(jìn)行研究，結(jié)果表明當(dāng)表面積覆蓋率為75%、流道直徑為1.54 mm時(shí)，冷板具備較好的冷卻性能。Zhang等通過在冷板與電池之間填充柔性石墨的方式，提升冷卻系統(tǒng)的傳熱性能，使電池表面溫差由7降至2℃。為以散熱背景下的冷卻系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化，Hales等提出一個(gè)電池冷卻系數(shù)（cell cooling coefficient，CCC）的經(jīng)驗(yàn)公式和相應(yīng)的測(cè)量方法，通過比對(duì)CCC系數(shù)，可以在系統(tǒng)級(jí)上提高性能和使用壽命并降低成本。高CCC則代表使用較高的連續(xù)功率且電池內(nèi)部溫度梯度較小，有助于提升可用容量。該度量基于電池的產(chǎn)熱速率等于散熱速率的假設(shè)，故僅在穩(wěn)態(tài)溫度區(qū)域中才是真實(shí)值。

綜上所述，目前動(dòng)力電池組冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中，以傳統(tǒng)冷卻方式組合或通過改變導(dǎo)熱路徑等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。而在動(dòng)力電池組運(yùn)行狀態(tài)即充放電倍率不同時(shí)，冷卻系統(tǒng)所呈現(xiàn)的過度冷卻狀態(tài)將會(huì)增加系統(tǒng)功耗等。本文中針對(duì)NCM動(dòng)力電池組在不同充電倍率下，以抑制組內(nèi)最高溫度和最大溫差為目的，對(duì)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 電池?zé)崮Ｐ团c實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

鋰離子電池在充放電過程中，溫度的變化源于產(chǎn)熱和傳熱。

1.1 產(chǎn)熱模型

鋰離子電池在充電過程中，由于電池本身存在著內(nèi)阻和活性物質(zhì)轉(zhuǎn)移，使電池在充電時(shí)一部分能量轉(zhuǎn)換成熱能。其中，一部分熱能由于電池的熱容而存儲(chǔ)在電池內(nèi)部，一部分熱能與外部環(huán)境存在溫度梯度而散失于環(huán)境中，加入液冷裝置后，冷卻液的循環(huán)也會(huì)帶走一部分熱量。描述此過程時(shí)的熱平衡方程為

為方便計(jì)算，焦耳熱部分常用電池內(nèi)阻計(jì)算，即等效為

式中為電池總內(nèi)阻，Ω。

1.2 傳熱模型

傳熱包含熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種方式。在充放電過程中，電池與外部交換熱量，由于實(shí)驗(yàn)過程中電池電解液流動(dòng)速度很小，故在熱傳遞模型中僅考慮熱傳導(dǎo)過程，計(jì)算公式為

溫度初始條件為

邊界條件為

式中：λ、λ、λ分別為電池在、、方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；分別代表電池的長(zhǎng)度、寬度和高度。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

本文選用NCM軟包電池，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 32A·h NCM軟包電池主要參數(shù)

基于所搭建的電池?zé)犭妳?shù)和溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（見圖1），標(biāo)定電池的實(shí)際容量，測(cè)試不同充電倍率下的電池內(nèi)阻和相關(guān)熱參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建單體電池?zé)崮Ｐ?。以電池充電過程中的溫升實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)設(shè)備的參數(shù)如表2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備參數(shù)

2 模型參數(shù)辨識(shí)與驗(yàn)證

根據(jù)固體熱傳遞理論，通過對(duì)電池進(jìn)行性能測(cè)試，獲取構(gòu)建熱模型所需的參數(shù)，如電池內(nèi)阻、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和熵系數(shù)等。以電池的熱模型描述充電過程中熱量的產(chǎn)生與傳遞，并以電池溫升測(cè)試對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，提升模型的準(zhǔn)確性?；诳煽康臒崮Ｐ?，對(duì)電池組在充電過程中進(jìn)行產(chǎn)熱分析。

2.1 模型參數(shù)辨識(shí)

2.1.1 鋰電池內(nèi)阻測(cè)試

在25℃的環(huán)境下，分別以1C、1.5C和2C的倍率對(duì)電池進(jìn)行混合脈沖功率特征（hybrid pulse power characteristic，HPPC）的測(cè)試。根據(jù)式（7）~式（9）和圖2所示的測(cè)試過程，得到不同SOC下的充放電內(nèi)阻。

圖2 電池內(nèi)阻測(cè)試

式中：為充電歐姆內(nèi)阻，Ω；為充電極化內(nèi)阻，Ω；為充電總內(nèi)阻，Ω；、、分別為對(duì)應(yīng)充電脈沖時(shí)刻電池的開路電壓或端電壓，V；分別為對(duì)應(yīng)的充放電電流，A。

充電內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 電池充電內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果

2.1.2 比熱容與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試

電池的比熱容參數(shù)的計(jì)算參照文獻(xiàn)［22］和文獻(xiàn)［23］：

式中：為物體吸收或放出的熱量，J；為電池卷芯質(zhì)量，kg；Δ為溫差，℃；為比熱容，J/（kg·℃）。

電池整體結(jié)構(gòu)包含正極耳、負(fù)極耳、電池外殼和卷芯。其中正負(fù)極耳和電池外殼材質(zhì)單一，比熱容已知。卷芯部分則由正負(fù)極材料、隔膜和電解液等多種材料復(fù)合而成，故比熱容數(shù)值須單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試。比熱容測(cè)試流程如圖4所示。

圖4 電池比熱容測(cè)試流程

測(cè)試過程中為防止電解液揮發(fā)，確保加熱片和熱電偶與卷芯緊密貼合，以便準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)，須對(duì)放置加熱片和熱電偶后的電芯用鋁塑膜進(jìn)行塑封。直流電源以恒定功率對(duì)卷芯進(jìn)行穩(wěn)定加熱，全過程中記錄加熱時(shí)間和卷芯的溫度變化，再由式（4）計(jì)算，經(jīng)測(cè)試，本文所用的NCM軟包電池比熱容為1 213.3 J/（kg·℃）。

材質(zhì)單一的正負(fù)極耳和電池外殼均為各向同性導(dǎo)熱物質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)已知。圖5為軟包電池結(jié)構(gòu)示意圖，卷芯通過逐層堆疊各組分而成。因此卷芯具備展向和法向方向的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)，須對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。根據(jù)傅里葉定律，分別計(jì)算電池各方向上的導(dǎo)熱系數(shù)和熱流密度：

圖5 軟包電池結(jié)構(gòu)示意圖

式中：為熱流方向上的導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·℃）；為該方向上的熱流密度，J/（m·s），?/?為溫度梯度；為截面表面積，m。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用局部加熱的方法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)。在兩個(gè)卷芯中間布置加熱片進(jìn)行加熱，并在加熱片表面涂抹導(dǎo)熱硅脂，確保二者間的傳熱效率。并在對(duì)稱側(cè)布置支撐片，保證電池在法向方向?qū)ΨQ，利用布置在內(nèi)側(cè)和外側(cè)的熱電偶測(cè)得多點(diǎn)溫度，再利用上述公式算得導(dǎo)熱系數(shù)。熱電偶和加熱片布置情況如圖6所示。

圖6 熱電偶與加熱片布置示意圖

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，展向?qū)嵯禂?shù)為23.9 W（/m·℃），法向?qū)嵯禂?shù)為1.3 W（/m·℃）。展向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)大于法向?qū)嵯禂?shù)，這與文獻(xiàn)［27］一致。

2.1.3 熵系數(shù)測(cè)試

熵系數(shù)表征電池在充放電中吸熱或放熱的過程，是計(jì)算反應(yīng)熱的重要參數(shù)。反應(yīng)熱計(jì)算公式為

式中：為反應(yīng)熱，J；為充放電電流，A；d/d為電池熵系數(shù)，mV/℃。通過測(cè)試不同溫度下的SOC?OCV曲線，并根據(jù)OCV隨溫度的變化而擬合，進(jìn)而獲得不同SOC下的熵系數(shù)，測(cè)試過程如圖7所示。

圖7 熵系數(shù)測(cè)試過程

在恒溫箱中擱置不同SOC狀態(tài)下的電池，并依次設(shè)置恒溫箱的溫度為50、25、0、?20和?25℃。在每一個(gè)溫度條件下進(jìn)行充分?jǐn)R置，獲取電池的OCV變化數(shù)據(jù)，根據(jù)電池的OCV和溫度數(shù)據(jù)計(jì)算熵系數(shù)。熵系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示，熵系數(shù)為負(fù)，在充電過程中，表示反應(yīng)熱為負(fù)，即電池吸熱；在放電過程中，表示反應(yīng)熱為正，即電池放熱。熵系數(shù)為正時(shí)，則與之相反。

圖8 熵系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 溫度點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，讀取在電池充電過程中不同溫度測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，溫度點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證流程如圖9所示。

圖9 測(cè)試與驗(yàn)證流程

其中電池充電產(chǎn)熱實(shí)驗(yàn)過程具體步驟如下：

（1）連接數(shù)據(jù)采集器和熱電偶，并確定熱電偶貼放位置，用絕熱棉包裹，保證溫度數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。

（2）選擇充放電機(jī)通道，并與電池相連，確保夾具與極耳連接穩(wěn)固。

（3）將布置好熱電偶并連接充放電機(jī)的電池移至溫度設(shè)置為25℃的溫箱中，溫箱擱置3 h。

（4）利用上位機(jī)編寫程序，使電池以2C倍率自截止電壓下限（3 V）充電至截止電壓上限（4.2 V），觀察溫度測(cè)點(diǎn)的溫升情況。

（5）建立該款電池單體3D熱模型，設(shè)置與實(shí)驗(yàn)相同的環(huán)境條件進(jìn)行仿真。

模型驗(yàn)證結(jié)果如圖10所示。

圖10 熱電偶的溫度數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

圖10所示T?1、T?2、T?3和T?4分別對(duì)應(yīng)熱電偶所貼的4個(gè)位置，即正極耳、負(fù)極耳、電芯中央和電芯底部。、、、分別代表4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)處的溫度偏差。經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，T?1處最大溫度偏差為2.1%，平均偏差為0.7%；T?2處最大溫度偏差為1.8%，平均偏差為0.71%；T?3處最大溫度偏差為1.83%，平均偏差為0.5%；T?4處最大溫度偏差為1.4%，平均偏差為0.7%。對(duì)比結(jié)果說明所建模型能夠很好反映NCM電池的產(chǎn)熱特性。

2.2.2 熱成像測(cè)試驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，以熱成像儀實(shí)時(shí)觀測(cè)充電過程中電池表面的溫度分布和溫度變化過程。實(shí)時(shí)傳輸測(cè)試點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)觀測(cè)電池表面溫度變化以分析電池內(nèi)部熱量傳遞的過程。該實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

（1）在室內(nèi)利用充放電機(jī)連接電池，保持環(huán)境溫度為25℃。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)置熱成像儀相關(guān)上位機(jī)工作臺(tái)參數(shù)。

（3）以2C倍率對(duì)電池進(jìn)行充電，使電池自截止電壓下限（3 V）充電至截止電壓上限（4.2 V），在上位機(jī)處實(shí)時(shí)觀測(cè)電池表面溫度分布。

通過熱成像儀對(duì)電池2C充電過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到電池在0~100%下的11個(gè)電池溫度分布，結(jié)果如圖11所示。

圖11 熱成像儀下NCM電池表面溫度分布

圖中Sp1、Sp2、Sp3、Sp4分別對(duì)應(yīng)與圖10相同的測(cè)點(diǎn)。由圖可見，電池在以2C倍率充電過程中，正極耳（Sp1）發(fā)熱最快，隨著充電時(shí)間的增加，電芯中央部分（Sp3）產(chǎn)熱增加，且熱量逐漸傳遞到電芯底部（Sp4）。利用該數(shù)據(jù)與上節(jié)所建立的產(chǎn)熱模型進(jìn)行再度驗(yàn)證，測(cè)點(diǎn)溫升對(duì)比和溫度偏差如圖12所示。

圖12 熱成像儀的溫度數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖可見，4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)中最大溫度偏差為1.6%，說明所構(gòu)建的熱模型能夠反映電池單體的產(chǎn)熱情況。

2.3 電池組建模與產(chǎn)熱分析

2.3.1 電池組建模

電池單體結(jié)構(gòu)尺寸為210 mm×195 mm×7.6 mm，正、負(fù)極耳尺寸為54 mm×25 mm×0.3 mm。利用有限元分析軟件建立1P12S下的電池組，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于電池組幾何結(jié)構(gòu)規(guī)則簡(jiǎn)單，模型采用自由三角形網(wǎng)格單元掃掠的方式劃分，以提高模型收斂性和迭代速度，如圖13所示。

圖13 電池組模型

將電池組網(wǎng)格模型與電池?zé)崮Ｐ驮谟邢拊治鲕浖薪Y(jié)合，進(jìn)行條件設(shè)定。

（1）定義電池材料，并輸入上述實(shí)驗(yàn)所得的電池比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熵系數(shù)和電池內(nèi)阻等參數(shù)。

（2）定義電池?zé)嵩?，根?jù)式（3）分別在電池組的極耳和電芯部分定義熱源。

（3）確定邊界條件，將電池組邊界設(shè)置為初始環(huán)境溫度，即25℃，表面設(shè)置自然對(duì)流換熱方式。參考實(shí)際應(yīng)用中自然對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為3~5 W/（m·K），本文設(shè)置為5 W/（m·K）。

（4）設(shè)置充電倍率分別為1C、1.5C和2C，計(jì)算時(shí)間分別為3 600、2 400和1 800 s，計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置為1 s。

2.3.2 不同倍率下電池組產(chǎn)熱分析

基于驗(yàn)證后的熱模型，分別以1C、1.5C和2C倍率對(duì)無冷卻結(jié)構(gòu)下的電池模組進(jìn)行充電，利用模型計(jì)算充電過程中模組溫度分布，其中充電結(jié)束時(shí)刻模組溫度分布云圖如圖14所示。

圖14 充電結(jié)束后模組溫度分布

不同倍率下模組內(nèi)的最高溫度和最大溫差隨的變化特性如圖15所示。由圖可知，模組內(nèi)的最高溫度和最大溫差隨倍率的提升而增加。且同倍率下的最高溫度曲線與最大溫差曲線在充電初期（≤10%）和充電后半段（≥50%）兩個(gè)階段內(nèi)呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。在10%≤≤25%階段，溫差曲線的下降趨勢(shì)應(yīng)與此階段時(shí)電池熵系數(shù)為負(fù)，這與電池存在吸熱現(xiàn)象相關(guān)。充電仿真過程中的溫度數(shù)據(jù)如表3所示，充電倍率的增加引起溫度不一致性愈加明顯。其中充電倍率由1C增至1.5C時(shí)，最高溫度和最大溫差的變化最為明顯，分別增加3.9和1.7℃。由1.5C增至2C時(shí)，最高溫度和最大溫差的變化略小，分別增加1.7和0.8℃。

表3 不同充電倍率下模組的最高溫度和最大溫差

圖15 不同充電倍率下模組溫度變化情況

3 冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車液冷熱管理系統(tǒng)多采用布置液冷板的方式進(jìn)行冷卻。本文中設(shè)計(jì)適用于高比能量電池組的冷板布置結(jié)構(gòu)。對(duì)基于蛇形流道的冷板，分別進(jìn)行單面、雙面和三面布置。比較3種冷卻方案間的冷卻效果，從而對(duì)冷板結(jié)構(gòu)、流道和出入口位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 不同冷卻方案的冷卻效果對(duì)比

為適應(yīng)NCM電池組在不同充電倍率下的溫度特性，冷卻方案分為單面冷卻、雙面冷卻和三面冷卻。根據(jù)模組內(nèi)的最高溫度和最大溫差，對(duì)3種冷卻方案的冷卻效果進(jìn)行比較。結(jié)合軟包電池商用的冷板結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)［31］中所設(shè)計(jì)蛇形冷板結(jié)構(gòu)，電池底部冷板和側(cè)面冷板如圖16所示，冷板尺寸如表4所示。

表4 液冷板主要參數(shù) mm

圖16 底部冷板與側(cè)面冷板結(jié)構(gòu)圖

3種冷卻方案如圖17所示。單面冷卻僅使用底部冷板；雙面冷卻僅使用側(cè)面冷卻（兩側(cè)各一）；兩種冷板都使用則為三面冷卻。

圖17 冷卻方案結(jié)構(gòu)圖

對(duì)3種冷卻方案中的電池模組分別以1C、1.5C和2C的倍率充電，比較冷卻方案對(duì)模組溫度的影響，分析不同冷卻方案的冷卻效果。仿真過程中外部環(huán)境溫度與冷卻液溫度設(shè)置為25℃，以水作為冷卻介質(zhì)，冷卻液流速設(shè)置為3 L/min。

仿真結(jié)果如圖18所示。模組的最高溫度隨冷板數(shù)量的增加而降低，其中三面冷卻對(duì)溫度的抑制效果最佳，其次為雙面冷卻，最后為單面冷卻。充電過程中，熱量從正極集流體處開始增加，逐漸轉(zhuǎn)移到電芯中央側(cè)。隨著充電倍率的增加，雙面冷卻和三面冷卻對(duì)最高溫度的抑制能力逐漸相似。這表明布置在模組底部的冷板雖抑制熱量向底部蔓延，但對(duì)抑制高溫區(qū)域和溫度不一致性的能力較差。

圖18 不同冷卻方案中充電時(shí)模組最高溫度變化

不同冷卻方案的最高溫度和最大溫差的對(duì)比如圖19所示，在單面冷卻結(jié)構(gòu)下，以2C倍率充電時(shí)，模組最高溫度為38.5℃，最大溫差達(dá)到13.5℃，此時(shí)最大溫差甚至高于無冷卻結(jié)構(gòu)的模組溫差，進(jìn)一步影響模組內(nèi)溫度均勻性。相比之下，雙面冷卻結(jié)構(gòu)下的模組最高溫度為32.0℃，最大溫差為7℃；三面冷卻結(jié)構(gòu)下的最高溫度為30.4℃，最大溫差為6.2℃。二者的冷卻效果均有較大提升，但溫度一致性仍未達(dá)到鋰電池在該充電倍率條件下的溫度要求?？紤]到動(dòng)力電池組的能量密度，在三面冷卻比雙面冷卻的冷卻能力提高并不顯著的情況下，三面冷卻方案并不是最優(yōu)選項(xiàng)，增加一塊冷板既增加成本，又會(huì)占用空間影響整個(gè)液冷模組的體能量密度。故本文選擇以雙面冷卻作為電池組的冷卻結(jié)構(gòu)。

圖19 不同冷卻方案中的溫度對(duì)比

3.2 冷板出入口位置選取

由于在模組充電時(shí)，冷板并不是理想的恒溫板，電池模組、冷板和冷卻液三者之間的傳熱是相互的，冷板入口溫度與冷卻液初始溫度相同，不同的出入口位置會(huì)影響模組內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布。故選擇冷板的出入口位置有益于冷板冷卻能力的提升。研究以雙面冷卻為基礎(chǔ)，取冷板外側(cè)4條邊方向，分別布置流道出入口。這是由于實(shí)際應(yīng)用中需要連接液冷管道，而在上側(cè)的流道入口，液冷管道會(huì)擠壓電池極耳，甚至引起極耳彎折。鋁制冷板導(dǎo)熱性能良好，流道出入口位置在內(nèi)側(cè)或外側(cè)，并不會(huì)影響液冷板與電池模組間的傳熱通路，故流道出入口位置設(shè)計(jì)如圖20所示。

圖20 不同出入口位置冷板結(jié)構(gòu)

電池以2C倍率充電時(shí)，模組內(nèi)部溫度差異更明顯，在改變不同出入口位置的冷板結(jié)構(gòu)下，對(duì)電池模組進(jìn)行2C倍率的充電，冷卻液流速設(shè)置為3 L/min，冷卻液溫度和外部環(huán)境設(shè)置為25℃，以水作為冷卻介質(zhì)，模擬模組內(nèi)的溫度場(chǎng)隨出入口位置的變化情況。充電結(jié)束后，模組溫度場(chǎng)分布如圖21所示。

圖21 模組溫度場(chǎng)分布圖

由圖可見，在不同出入口位置的冷板結(jié)構(gòu)下，出入口位置的變化影響模組內(nèi)部溫度等值線的分布，出入口位于上下兩側(cè)（Side_1和Side_2）相比于左右兩側(cè)（Side_3和Side_4），電芯中央的高溫等值線分布較密。提取上述仿真中的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，結(jié)果如表5所示。

表5 不同出入口位置冷板仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)仿真后的模組內(nèi)最高溫度、最大溫差和冷板出入口最大溫差分析后發(fā)現(xiàn)，冷板出入口位置的改變對(duì)模組內(nèi)的最大溫差影響最大，其次為模組內(nèi)的最高溫度，最后為出入口溫差。這是由于冷板出入口位置的變化，引起模組內(nèi)部低溫區(qū)域的變化，而冷卻液和冷板整體的溫度本身并沒有發(fā)生變化，故未對(duì)最高溫度產(chǎn)生明顯作用。相比于其它冷板，Side_4冷板結(jié)構(gòu)可改善模組內(nèi)的溫度分布一致性。最終選用Side_4冷板搭建雙面冷卻結(jié)構(gòu)。

3.3 冷卻液溫度對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)的影響

所設(shè)計(jì)的冷板結(jié)構(gòu)溫度均勻，出入口溫差更小，為進(jìn)一步提升模組溫度一致性。在充電倍率變化同時(shí)，使冷卻液溫度在20~30℃范圍內(nèi)以1℃為間隔逐漸變化。環(huán)境溫度為25℃時(shí)，仿真結(jié)果如圖22所示。

圖22 不同冷卻液溫度下模組內(nèi)溫度變化

由圖可知，冷卻液溫度在高于25℃時(shí)，電池組的最大溫差得到進(jìn)一步抑制。在1C、1.5C和2C充電倍率時(shí)，冷卻液溫度分別控制在25、27和30℃，可以使最高溫度抑制在27.8、32.3和35.5℃，最大溫差抑制在2.9、4.8和4.7℃。說明本文所設(shè)計(jì)的冷板結(jié)構(gòu)可以有效抑制不同充電倍率下的模組溫升，并使模組溫差控制在5℃以內(nèi)。

4 結(jié)論

以某款車用NCM軟包鋰電池為研究對(duì)象，在搭建熱模型的基礎(chǔ)上，分析電池模組在不同充電倍率時(shí)的溫升。根據(jù)電池組的產(chǎn)熱特性采用布置液冷板的方式進(jìn)行冷卻。從冷卻結(jié)構(gòu)方案和冷板出入口位置等角度，對(duì)電池組在不同充電倍率下的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)在節(jié)省成本的同時(shí)保證了液冷模組的能量密度，所得到的結(jié)論如下。

（1）結(jié)合Bernardi方程和有限元分析方法構(gòu)建了能夠反映單體鋰離子電池溫度分布的產(chǎn)熱模型，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，最大溫度偏差不高于2.1%，能夠較真實(shí)地反映鋰離子電池在不同充電倍率下的產(chǎn)熱過程。

（2）由熱模型計(jì)算不同充電倍率下電池模組溫度分布，并對(duì)比不同冷卻結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，與雙面冷卻相比，三面冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效果的改善不很顯著，為提升電池模組的能量密度，降低系統(tǒng)成本，選擇了雙面冷卻方式。

（3）為進(jìn)一步提升電池模組的溫度分布一致性，基于雙面冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)比冷卻液入口的位置和溫度對(duì)模組冷卻效果的影響，結(jié)果表明，最終在環(huán)境溫度30℃時(shí)在不同充電倍率下該冷卻系統(tǒng)可以使電池模組的最大溫差控制在5℃以內(nèi)。