混合動(dòng)力汽車用鋰電池組冷卻系統(tǒng)研究

史曄 朱建新 陳小丹 喜冠南

摘 ?要： 熱均衡性對(duì)于提高鋰電池組的工作特性和使用壽命至關(guān)重要。針對(duì)某型號(hào)鋰電池組，對(duì)其充放電發(fā)熱特性進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)一套非直接接觸式液體冷卻方案。建立三維模型，用Star CCM+軟件進(jìn)行充放電工況下CFD仿真模擬，得到電池組的溫度場(chǎng)分布，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)和仿真結(jié)果具有很高的一致性。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)在目標(biāo)工況條件下，始終能保持整包溫度低于40 ℃，溫差小于5 ℃，可有效防止熱失控，使鋰電池始終工作在理想溫度，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 新能源汽車; 鋰電池; 冷卻系統(tǒng); 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); CFD仿真; 熱均衡試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TN6?34; U469.72+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）11?0121?04

Abstract： The thermal equalization is very important to improve the working characteristics and service life of lithium battery pack. The thermal characteristics of a certain type of lithium battery pack while charging or discharging are studied， and an indirect contact liquid cooling scheme is designed. The three?dimensional model was established. The Star CCM+ software is used to perform the CFD simulation under charge and discharge conditions. The temperature field distribution of the battery pack is obtained， the design scheme is optimized and verified with corresponding experiments. The results of simulation and experiment have high accordance. The results show that the designed cooling system working at target condition can keep the whole package temperature under 40 ℃ and the temperature difference lower than 5 ℃， which can effectively prevent the thermal runaway and make the lithium battery work at the ideal temperature range， and meet the design requirements.

Keywords： new energy vehicle; lithium battery; cooling system; structural design; CFD simulation; thermal equalization experiment

0 ?引 ?言

近年來，新能源汽車以其越來越優(yōu)越的性能，以及其在能源、環(huán)境方面的巨大優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為各大車企和科研單位研究的重點(diǎn)[1?2]。而動(dòng)力電池作為新能源汽車的重要組成部分，其工作時(shí)的穩(wěn)定性和安全性直接影響到新能源汽車的使用性能[3?4]。目前，鋰電池由于其超高的能量密度，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛酸電池和鎳氫電池[5]。同時(shí)，鋰電池在高溫區(qū)域表現(xiàn)較差[6?7]，長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫環(huán)境下將嚴(yán)重影響電池使用性能和壽命，甚至帶來安全隱患，因此需要對(duì)其進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文針對(duì)某款混動(dòng)汽車用鋰電池組的冷卻問題，設(shè)計(jì)非接觸式液體冷卻系統(tǒng)。首先建立冷卻系統(tǒng)的三維模型，應(yīng)用CFD仿真軟件對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行理論計(jì)算和仿真模擬，并結(jié)合試驗(yàn)，驗(yàn)證此冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，為方形鋰電池組冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種切實(shí)可行的方案。

1 ?電池組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?電池冷卻系統(tǒng)布局

該電池組由96個(gè)三元鋰電池電芯串聯(lián)而成，每12個(gè)電芯組成一個(gè)VDA模組，排列方式為平鋪，共有8個(gè)VDA模組。電池組采用非直接接觸式液冷方式，冷卻液為50%的乙二醇水溶液，電池組內(nèi)冷卻系統(tǒng)主要由進(jìn)出水口（三通口）、進(jìn)水管、出水管、鋁合金液冷板和導(dǎo)熱硅膠墊組成。鋁合金液冷板位于電芯底部，冷卻液在液冷板中的流動(dòng)方向如圖1所示。

圖1 ?電池冷卻系統(tǒng)布局

1.2 ?電池組溫度場(chǎng)理論模型

電池組溫度場(chǎng)熱傳遞如圖2所示。冷卻液與鋁合金液冷板間的熱傳遞形式為對(duì)流換熱，鋁合金液冷板與導(dǎo)熱硅膠墊、導(dǎo)熱硅膠墊與電芯之間的熱傳遞形式為熱傳導(dǎo)。

圖2 ?熱傳遞示意圖

2 ?冷卻系統(tǒng)仿真分析

2.1 ?邊界條件

根據(jù)新歐洲行駛工況（New European Driving Cycle，NEDC），電池組平均充放電功率約為38.8 kW，平均有效電流約為57 A，單體電池直流內(nèi)阻約為2 mΩ，計(jì)算得電池組平均發(fā)熱功率約為649.8 W;電池包初始溫度設(shè)為40 ℃。根據(jù)電池組溫度場(chǎng)理論模型計(jì)算，冷卻液入口溫度設(shè)為25 ℃，冷卻液流量設(shè)為10 L/min。電池模型分為電池、側(cè)板、端板、導(dǎo)熱硅膠墊、液冷板五個(gè)部分，其中電芯內(nèi)核為各向異性材料，冷卻液與鋁合金液冷板、鋁合金液冷板與導(dǎo)熱硅膠墊、導(dǎo)熱硅膠墊與電池之間為耦合換熱，電芯和鋁合金液冷板其余部位與箱體內(nèi)空氣自然對(duì)流換熱，箱體與外部環(huán)境自然對(duì)流換熱。模型各部分材料物性參數(shù)見表1。

表1 ?模型各部分材料物性參數(shù)

2.2 ?仿真結(jié)果分析

不同截面的溫度場(chǎng)圖如圖3所示，沿著冷卻液流動(dòng)方向，冷卻液不斷帶走電池模組傳導(dǎo)至液冷板的熱量，模組的溫度不斷升高，這是造成電池模組溫度不均的主要原因。在圖3中，為了反映各單體電池之間的溫差，模擬得到了整個(gè)模組的溫度場(chǎng)云圖（見圖3a））、電池組頂端（見圖3b））、底端監(jiān)測(cè)面溫度場(chǎng)（見圖3c））。經(jīng)分析，在頂端監(jiān)測(cè)面上，最高溫度約為32.1 ℃，最低溫度約為28.7 ℃，溫差為3.4 ℃;在底端監(jiān)測(cè)面上，最高溫度約為26.7 ℃，最低溫度約為30.7 ℃，溫差為4 ℃。整個(gè)電池包最高溫度為32.1 ℃，最低溫度為26.7 ℃，整包溫差為5.4 ℃。對(duì)于整包而言，溫差在5 ℃左右;對(duì)于不同電池模組的同一位置，溫差在4 ℃以內(nèi);并且整包溫度遠(yuǎn)低于45 ℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此，此冷卻系統(tǒng)能夠較好地滿足電池組的散熱要求。

圖3 ?不同截面的溫度場(chǎng)圖

3 ?電池組溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 ?試驗(yàn)設(shè)備及溫度布點(diǎn)方案

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要得到相應(yīng)實(shí)際工況下電池組溫度場(chǎng)分布情況，這就需要對(duì)電池組進(jìn)行熱均衡試驗(yàn)。參照電池組溫度場(chǎng)仿真過程中建立的監(jiān)測(cè)截面位置，并且溫度采樣點(diǎn)的布置應(yīng)盡量避免對(duì)傳熱過程產(chǎn)生影響，擬定在電池組表面分布16個(gè)T型熱電偶（精度為±0.5 ℃），由于電池模組頂面溫度高于底面溫度，因此選取模組頂面為監(jiān)測(cè)面，每個(gè)模組頂面各布置2個(gè)熱電偶，熱電偶布置如圖4所示。電池組溫度采樣設(shè)備為日置LR8401數(shù)據(jù)記錄儀，電池組充放電設(shè)備為Digatron BTS?600。

圖4 ?熱電偶布點(diǎn)位置

3.2 ?試驗(yàn)方法

電池組溫度測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，完成試驗(yàn)平臺(tái)搭建后，開啟充放電設(shè)備對(duì)電池組進(jìn)行充電，使其溫度升高至40 ℃時(shí)，開啟水冷箱，設(shè)置冷卻液入口溫度為25 ℃，流量設(shè)為10 L/min，電池組開始放電，有效電流設(shè)為57 A。待溫度達(dá)到熱平衡后，停止試驗(yàn)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，分析電池組溫度場(chǎng)，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)電池包冷卻系統(tǒng)的冷卻性能。

圖5 ?試驗(yàn)平臺(tái)

3.3 ?試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6a）為電池放電時(shí)有效電流為57 A工況下，試驗(yàn)過程中采集的各個(gè)熱電偶溫度隨時(shí)間變化的曲線。圖6b）為試驗(yàn)基本達(dá)到熱平衡時(shí)，電池組溫度場(chǎng)基本穩(wěn)定后各溫度采樣點(diǎn)的采集溫度。

圖6 ?試驗(yàn)工況下電池組溫度分布

如圖6所示，在試驗(yàn)工況下，電池組溫度場(chǎng)分布比較均勻。從圖6a）可以看出，充電時(shí)未對(duì)電池組進(jìn)行冷卻時(shí)，電池組溫度不斷升高，9 000 s左右達(dá)到試驗(yàn)預(yù)設(shè)溫度40 ℃;對(duì)電池組進(jìn)行冷卻后，雖然電池組在進(jìn)行大電流放電，但電池組整體溫度不斷下降，15 000 s左右達(dá)到溫度平衡。從圖6b）可知，溫度最高點(diǎn)為6號(hào)模組2采樣點(diǎn)，為35.5 ℃，溫度最低點(diǎn)為7號(hào)模組1采樣點(diǎn)，溫度為31.5 ℃，電池組各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總溫差為4 ℃，單個(gè)電池模組內(nèi)最大溫差為2 ℃。由上可得，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。在放電過程中，冷卻系統(tǒng)能夠使電池組在合理的溫度區(qū)間工作，并使溫度場(chǎng)保持較好的一致性，滿足電池組散熱要求。

4 ?結(jié) ?論

本文針對(duì)某型號(hào)鋰電池組，根據(jù)其充放電發(fā)熱特性設(shè)計(jì)其冷卻系統(tǒng)。首先建立了電池組溫度場(chǎng)理論計(jì)算模型，采用CFD軟件進(jìn)行仿真模擬，得到穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布情況;然后進(jìn)行電池組熱平衡充放電試驗(yàn)，得到試驗(yàn)工況下的溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)。結(jié)果表明，電池組在充電至40 ℃后放電，在目標(biāo)充放電工況下仍能有良好的冷卻表現(xiàn)，電池整包溫度低于40 ℃，電池模組總溫差小于5 ℃，說明設(shè)計(jì)的電池包在惡劣工況下仍然能夠?qū)﹄姵匕M(jìn)行有效冷卻，防止發(fā)生熱失控。

注：本文通訊作者為喜冠南。

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