并聯液冷電池熱管理系統(tǒng)仿真分析

孫悅，陶樂仁，2，雷良新，陶宏

（1.200093 上海市 上海理工大學 能源與動力工程學院；2.200093 上海市 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室；3.201206 上海市 上海海立新能源技術有限公司）

0 引言

目前，電動汽車以其高能效、低噪聲、無污染等優(yōu)點得到了迅速發(fā)展。鋰離子電池是生產電動汽車時使用的最先進的電池技術[1]。然而，鋰離子電池在放電過程中由于電化學反應產生大量的熱量[2-3]，可能導致電池過熱或電池溫度分布不均勻，從而影響電池安全性和循環(huán)壽命[4-5]。因此，一個有效的電池熱管理系統(tǒng)對鋰離子電池的高效性能至關重要，目的是將電池溫度控制在可接受的范圍內，并在運行期間保持均勻的溫度分布[6-8]。鋰離子電池在15～35 ℃的溫度范圍內，能保持最佳的性能和使用壽命[9-10]；同時，電池組的最大溫差應保持在5 ℃以下[11]，以避免鋰離子電池的不利影響?，F有的熱管理策略主要有空氣冷卻[12-13]、液體冷卻[14-16]、相變材料冷卻[17-19]以及它們的組合冷卻方法[20]。考慮到電池模塊的效率、成本和空間等，上述策略具有各自的優(yōu)勢[21]。然而，對于快速充放電過程，液體冷卻將比空氣冷卻更有效，更適合于冷卻大的電池表面[22-26]。與直接液體冷卻相比，間接液體冷卻更容易實現。間接冷卻系統(tǒng)的冷卻劑通常是乙二醇水溶液，其粘度比直接液體冷卻所用的介電礦物油低得多。

本文介紹了一種基于微型通道冷板的液體冷卻系統(tǒng)，用于鋰離子電池模組的溫度管理。選取10 Ah 棱柱型鋰電池為研究對象，電池類型為磷酸鐵鋰電池（LFP-C），采用AMESim 建立液冷模型，研究了放電倍率、環(huán)境溫度對荷電狀態(tài)100%的電池模組放電性能的影響以及冷卻液溫度、入口冷卻液質量流量和乙二醇-水的混合比對荷電狀態(tài)100%的電池模組散熱性能的影響。本文的研究目的是為電動汽車電池熱管理系統(tǒng)的設計提供參考。

1 模型介紹

1.1 電池及冷板介紹

棱柱型電池在電動汽車上應用廣泛。本文選取10 A·h 磷酸鐵鋰電池單體，電池模組為5×8排列，電池單體串聯布置，電池單體的外形尺寸為55 mm×168 mm×114 mm，每排每列的電池單體間隔1 mm，電池單體的熱物性如表1 所示。

表1 磷酸鐵鋰電池單體的熱物理參數Tab1.Thermal physical parameters of LFP-C Li-ion cell

冷板材質為鋁，外形尺寸為844 mm×447 mm，其冷卻液通道尺寸為3 mm×15 mm×55 mm，共計10 個冷卻水通道。電池模組和冷板布置如圖1 所示，冷板如圖2 所示。左上角為冷卻液入口，右下角為冷卻液出口，冷板放置于電池的下表面，用于去除電池在放電過程中產生的熱量，每排電池下方的冷板包含2 個冷卻液通道，不同排的冷卻液通道并聯連接，冷卻液為乙二醇-水混合工質，流經每排下方的冷板液體通道。

圖1 電池模組和冷板布置圖Fig.1 Layout of battery modules and cold plates

圖2 冷板Fig.2 Cold plates

1.2 電池子模型

本文電池單體模型選用AMESim16.1 軟件Electric Storage 庫 中 的LIION_LFPC_HE_ESSBATCQS01，如圖3 所示。接口1 和接口2 為電參數，接口3 為熱參數。該模型已根據Prada[27-28]等人的IFP Energies nouvelles 電池測試設施的實驗測試數據進行了校準和驗證。該準靜態(tài)子模型可模擬高能磷酸鐵鋰電池的電和熱行為。

圖3 電池子模型圖Fig.3 Battery sub-model diagram

模型LIION_LFPC_HE_ESSBATCQS01 電池單體中相關量輸入電壓Uin和輸入電流Iin以及端口電流和端口標號如圖4 所示。該模型表示具有一個電相的電池單體，單相電端口標號如圖中黑圈所示。

圖4 電池單體參數定義Fig.4 Definition of battery cell parameters

圖4 中：Uin=V2-V1；I1=Iin；I2=Iin。

2 系統(tǒng)介紹

圖5 是并聯液冷電池熱管理系統(tǒng)圖。該電池模組展示了電動汽車電池組的一個分支。對于液冷式熱管理系統(tǒng)，流體的流動由安裝在車輛上的水泵驅動。該系統(tǒng)中假設冷卻液流經每個管路的流量相同。圖中熱電容用來計算電池的平均表面溫度，電模型計算電池中的各種電量和熱流量。此外，在電池模組的底部，冷卻液通過交換熱能以從電池模組中帶走熱量。

圖5 并聯液冷電池熱管理系統(tǒng)圖Fig.5 Diagram of thermal management system of parallel liquid cooled battery

3 仿真分析

3.1 環(huán)境溫度和放電倍率對電池模組溫升的影響

純放電模擬，設置環(huán)境溫度分別為5，15，25，35 ℃，對磷酸鐵鋰電池模組進行放電倍率分別為1C，2C，3C，4C，5C 的放電模擬，放電時間分別為3 600，1 800，1 200，900，720 s。如圖6 所示，在環(huán)境溫度一定時，電池模組溫升隨放電倍率的增加而增加，放電倍率越大，電池模組溫升越大。如環(huán)境溫度為5℃時，隨著放電倍率的增加，電池模組溫升由10.16℃增加到了36.81 ℃。在放電倍率一定時，電池模組溫升隨環(huán)境溫度的增加而減小，環(huán)境溫度越高，電池模組溫升越小。放電倍率為5C 時，隨著放電倍率的增加，電池模組溫升由36.81 ℃下降到24.10 ℃。這是因為，隨著溫度的降低，電池內阻增大，而電池內部各固體材料決定了鋰離子電池的內阻，有研究表明，電池內部固體材料的阻抗隨溫度的降低而普遍增大[29]。由圖6 可知，在環(huán)境溫度35 ℃、放電倍率為5C時，電池模組溫度最高達到59.1 ℃，有熱失控風險，需對電池模組冷卻，以保證其最佳的性能并延長電池模組的使用壽命。

圖6 不同環(huán)境溫度和放電倍率下電池模組溫升情況Fig.6 Temperature rise of battery module under different ambient temperature and discharge rate

3.2 冷卻液溫度對電池模組放電時冷卻的影響

如上文所述，在環(huán)境溫度35 ℃、放電倍率5C 時，電池模組有熱失控風險，因此需對電池模組進行冷卻。開啟冷卻系統(tǒng)，進行放電冷卻模擬，設置環(huán)境溫度為35 ℃，放電倍率5C，入口冷卻液質量流量0.4 kg/s，乙二醇-水混合工質混合比1:4，對磷酸鐵鋰電池模組進行冷卻液溫度分別為5，10，15，20，25，30 ℃的放電時冷卻模擬，模擬時間為720 s。仿真結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 電池模組平均溫度隨冷卻液溫度變化趨勢Fig.7 Average temperature of battery module changes with coolant temperature

圖8 電池模組最大溫差隨冷卻液溫度變化趨勢Fig.8 The maximum temperature difference of battery module changes with coolant temperature

由圖7 可知，電池模組平均溫度隨冷卻液溫度的降低而降低，即冷卻液溫度越低，電池模組平均溫度越低。冷卻液溫度由5℃升高到30℃，放電結束時，電池模組平均溫度升高了76.19 %。但冷卻液溫度為30 ℃時，冷卻系統(tǒng)冷卻速率低于電池模組放電時的放熱速率，所以曲線呈上升趨勢，電池模組平均溫度達38.48 ℃，高于35 ℃。冷卻液溫度為5，10，15，20，25 ℃時，放電結束時，電池模組平均溫度分別為21.84，25.08，28.36，31.47，34.82 ℃，均低于35 ℃，滿足電池模組在放電過程中的最佳溫度范圍要求。

由圖8 可知，電池模組最大溫差隨冷卻液溫度的升高而減小，即冷卻液溫度越低，電池模組最大溫差越大，冷卻液溫度由5 ℃升高到30 ℃，放電結束時，電池模組最大溫差減小了34.69 %。這是因為在冷卻液入口電池單元冷卻效果最好，而冷卻液出口電池單元冷卻效果最差，冷卻液溫度越低，入口電池單元溫度越低，隨著冷卻液的流動，冷卻液溫度升高，出口電池單元溫度高于入口電池單元溫度，從而導致最大溫差增大，故冷卻液初始溫度的提高對于電池模組在放電過程中溫度一致性有一定的提升。6 種冷卻液溫度下，電池模組最大溫差均低于5 ℃，滿足電池模組在放電過程中的最佳溫差要求。

3.3 入口冷卻液質量流量對電池模組放電時冷卻的影響

放電冷卻模擬，設置環(huán)境溫度為35 ℃，冷卻液溫度25 ℃，放電倍率5C，乙二醇-水混合工質混合比1:4，對磷酸鐵鋰電池模組進行入口冷卻液質量流量分別為0.01，0.05，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 kg/s 的放電時冷卻模擬，模擬時間為720 s。仿真結果如圖9 和圖10 所示。

圖9 電池模組平均溫度隨入口冷卻液質量流量變化趨勢Fig.9 Average temperature of battery module changes with inlet coolant mass flow

圖10 電池模組最大溫差隨入口冷卻液質量流量變化趨勢Fig.10 Battery module maximum temperature difference changes with inlet coolant mass flow

由圖9 可知，電池模組平均溫度隨入口冷卻液質量流量的增加而降低，即質量流量越大，電池模組冷卻效果越好。質量流量由0.01 kg/s 增加到1.0 kg/s，放電結束時，電池模組平均溫度降低了24.71%。但質量流量超過0.6 kg/s 時，繼續(xù)增加質量流量對電池模組的冷卻效果影響很小，電池模組平均溫度趨于平穩(wěn)。當質量流量小于0.4 kg/s 時，電池模組平均溫度高于35 ℃，最高達44.88 ℃，冷卻效果不佳，當質量流量大于0.4 kg/s、電池模組平均溫度均低于35 ℃，滿足電池模組在放電過程中的最佳溫度范圍要求。

由圖10 可知，電池模組最大溫差隨入口冷卻液質量流量的增大而減小，即質量流量越大，電池模組最大溫差越小，這是因為質量流量越大，冷卻液流動過程中，冷卻液溫度升高越緩慢，從而出口電池單元冷卻效果越好，導致最大溫差減小。質量流量由0.01 kg/s 增加到1.0 kg/s，放電結束時，電池模組最大溫差減小了97.39 %。圖中質量流量為0.01 kg/s 時，溫差達6.51 ℃，不滿足電池模組在放電過程中保持溫度一致性的要求，其余工況均滿足。

3.4 乙二醇-水的混合比對電池模組放電時冷卻的影響

放電冷卻模擬，設置環(huán)境溫度為35 ℃，冷卻液溫度20 ℃，放電倍率5C，入口冷卻液質量流量0.4 kg/s，對磷酸鐵鋰電池模組進行乙二醇-水的混合比分別為1:4，2:3，1:1，3:2，4:1 的放電時冷卻模擬，模擬時間為720 s。仿真結果如圖11 和圖12 所示。

圖11 電池模組平均溫度隨乙二醇-水的混合比變化趨勢Fig.11 The average temperature of the battery module changes with the mixing ratio of ethylene glycol and water

圖12 電池模組最大溫差隨乙二醇-水混合比變化趨勢Fig.12 The maximum temperature difference of the battery module changes with the ethylene glycol-water mixing ratio

由圖11 可知，電池模組平均溫度隨冷卻液中乙二醇的占比增加而升高，即乙二醇濃度越大，電池模組冷卻效果越差，這是因為乙二醇水溶液的濃度越高,傳熱系數衰減得越多[30]，從而換熱所帶走的熱量越少，冷卻效果越差?；旌媳葹?∶4時冷卻效果最好，放電過程中，電池模組最低溫度可達29.55 ℃，放電結束時，溫度為31.37 ℃。乙二醇-水的最佳濃度混合比選擇不僅要考慮電池模組的冷卻效果，還應考慮冬季冷卻液的防凍，需綜合考量。由圖12 可知，電池模組最大溫差隨冷卻液中乙二醇占比的增加而增加，但5 種混合比的最大溫差均在5 ℃內，滿足電池模組在放電過程中保持溫度一致性的要求。

4 結論

本文提出一種基于微型通道冷板的并聯液體冷卻系統(tǒng)，用于電池熱管理。該并聯液冷電池熱管理系統(tǒng)基于AMESim 中已驗證的電池子模型搭建。關閉冷卻系統(tǒng)，仿真分析放電倍率、環(huán)境溫度對荷電狀態(tài)100%的電池模組放電性能的影響，開啟冷卻系統(tǒng)，仿真分析冷卻液溫度、入口冷卻液質量流量和乙二醇-水的混合比對荷電狀態(tài)100%的電池模組散熱性能的影響。仿真結果分析表明：

（1）在不同環(huán)境溫度和放電倍率下，對電池模組放電模擬，環(huán)境溫度一定時，電池模組溫升隨放電倍率的增加而增加；而放電倍率一定時，電池模組溫升隨環(huán)境溫度的增加而減小。在環(huán)境溫度35 ℃、放電倍率為5C 時，電池模組溫度高達59.1 ℃，有熱失控風險，需對電池模組冷卻。

（2）在研究工況下，對電池模組進行不同冷卻液溫度的放電冷卻模擬時，電池模組平均溫度隨冷卻液溫度的降低而降低，冷卻液溫度由5 ℃升高到30 ℃，放電結束時，電池模組平均溫度升高了76.19 %，其中冷卻液溫度為30 ℃時，電池模組平均溫度達38.48 ℃，不滿足冷卻需求。而電池模組最大溫差隨冷卻液溫度的升高而減小，冷卻液溫度由5 ℃升高到30 ℃，放電結束時，電池模組最大溫差減小了34.69 %，6 種冷卻液溫度下，電池模組最大溫差均低于5 ℃。

（3）在研究工況下，對電池模組進行不同入口冷卻液質量流量的放電冷卻模擬，電池模組平均溫度隨入口冷卻液質量流量的增加而降低，質量流量由0.01 kg/s 增加到1.00 kg/s，放電結束時，電池模組平均溫度降低了24.71%。質量流量超過0.6 kg/s，繼續(xù)增加質量流量對電池模組的冷卻效果影響很小。當質量流量<0.4 kg/s時，冷卻效果不佳，當質量流量>0.4 kg/s，滿足電池模組在放電過程中的最佳溫度范圍要求。電池模組最大溫差隨入口冷卻液質量流量的增大而減小，質量流量為0.01 kg/s 時，溫差達6.51 ℃，不滿足溫度一致性的要求，其余均滿足。

（4）在研究工況下，對電池模組進行不同乙二醇-水混合比的放電冷卻模擬時，電池模組平均溫度隨冷卻液中乙二醇的占比增加而升高。混合比為1:4 時，冷卻效果最好，放電過程中，電池模組最低溫度可達29.55 ℃，放電結束時，溫度為31.37 ℃。而電池模組最大溫差隨冷卻液中乙二醇占比的增加而增加，5 種混合比的最大溫差均在5 ℃內，滿足電池模組在放電過程中保持溫度一致性的要求。