基于電芯溫差優(yōu)化的熱管理設(shè)計(jì)

秦 波，肖 鵬，閻明瀚，徐宇虹，江吉兵

(惠州億緯鋰能股份有限公司，廣東惠州516000)

鋰離子電池的安全性與溫度密切相關(guān)，過高或過低的溫度都會(huì)影響其性能。電芯在充放電過程中由于發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致自身溫度的升高，且隨著充放電倍率的增加，溫升速率也會(huì)增加。電芯長(zhǎng)期工作在較高溫度狀態(tài)下會(huì)極大縮短使用壽命。當(dāng)電芯溫度超過某一閾值時(shí)會(huì)帶來熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致電池冒煙和起火以致危及生命安全[1]。為了降低電芯的最高溫度，通常采用液冷方式來帶走電芯產(chǎn)生的熱量，降低電芯自身的溫升。由于電芯受到空間尺寸、材料性質(zhì)及其他零部件的影響，導(dǎo)致電芯本體會(huì)存在溫差；而電芯主要是通過鋰離子在正負(fù)極之間嵌入和脫出來實(shí)現(xiàn)充放電的目的，溫差會(huì)導(dǎo)致電芯內(nèi)部材料的活性物質(zhì)的不一致性，從而直接影響電芯的容量以及充放電等性能，繼而影響車輛的續(xù)航里程[2]。

對(duì)電芯溫差的研究分為不同的領(lǐng)域，如針對(duì)組成電芯的結(jié)構(gòu)件，通過對(duì)極耳、正負(fù)極材料、隔膜和電解液等相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化電芯溫差的目的[3-5]；或是從模組層面，針對(duì)電芯間的溫差，考慮從端板、電芯間和電芯底部導(dǎo)熱膠、冷板厚度，流道優(yōu)化等方面優(yōu)化電芯間溫差[6-8]。本文主要研究在液冷條件下，電芯在冷卻方向上的溫差優(yōu)化，與上述溫差研究不同的是，主要從傳熱學(xué)的角度，研究其他宏觀因素對(duì)溫差的影響，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。

1 設(shè)計(jì)思路

電芯的溫差有沿厚度方向的溫差以及垂直厚度方向的溫差。考慮到實(shí)際過程中，模組或者pack 沿電芯厚度方向的溫差一般在5 ℃以內(nèi)[9]，因而單個(gè)電芯沿厚度方向的溫差更小。而在高溫(電芯溫度在35 ℃以上)大倍率充放電時(shí)，冷卻液的存在會(huì)導(dǎo)致電芯在冷卻方向上產(chǎn)生10～20 ℃的溫差，因此由冷板的冷端在電芯本體形成的溫度梯度是造成溫差的主要原因。一般來說，冷板與電芯的接觸方式主要有三種：冷板與電芯底部接觸、冷板與電芯頂部接觸、冷板與電芯的大面接觸，本文以冷板與電芯底部接觸為研究對(duì)象，即考慮電芯在高度方向上的溫差。顯然，當(dāng)冷卻液的流速和溫度一定時(shí)，電芯沿傳熱方向的溫差主要與電芯自身的性質(zhì)有關(guān)。因此本文將基于固定流速和溫度的前提進(jìn)行電芯高度溫差的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

基于傳熱學(xué)基本定律：

式中：Q為熱通量；A為傳熱面積；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)；為單位傳熱距離上的溫差。

若將電芯等效為實(shí)體，其在高度方向的溫差主要與A、λ和有關(guān)。顯然，當(dāng)熱通量Q為定值時(shí)，電芯的傳熱面積越大，傳熱距離越小，導(dǎo)熱系數(shù)越大，電芯沿傳熱方向的溫差越小。

當(dāng)電芯發(fā)熱功率為定值時(shí)，可以通過增加電芯和冷板接觸面積及降低電芯高度來減少電芯在高度方向上的溫差，同時(shí)也可以通過提高電芯導(dǎo)熱系數(shù)的方法來減少溫差。基于此，本文主要從尺寸優(yōu)化和導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化兩方面來減少溫差。

對(duì)于已有電芯，通過將電芯與其他導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料相接觸來提高導(dǎo)熱系數(shù)。如軟包三元電芯，通常考慮加入散熱鋁片，由于散熱鋁片的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于電芯自身的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，熱量在溫度梯度方向傳遞時(shí)，存在最快的傳遞路徑，最終表現(xiàn)為電芯整體導(dǎo)熱系數(shù)的增加。另外，對(duì)于軟包和方形三元電芯，也可以考慮加入高導(dǎo)熱材料石墨烯來提高其傳熱速率。

對(duì)于處于設(shè)計(jì)階段的電芯，通過優(yōu)化電芯尺寸及直接提高導(dǎo)熱系數(shù)來降低溫差。

2 模型驗(yàn)證

2.1 電芯發(fā)熱功率計(jì)算

由于本文不考慮電芯本體結(jié)構(gòu)對(duì)溫差的影響，因此實(shí)際模型中，電芯作為具有均勻組分的實(shí)體來處理。同時(shí)假設(shè)電芯產(chǎn)熱均勻，根據(jù)Bernadi D[10]提出的產(chǎn)熱公式，有：

式中：I為工作電流，A；E0和E分別為開路電壓和工作電壓，V；T為工作溫度，K；I(E0-E)為不可逆熱,J；為可逆熱，J；R不可逆為產(chǎn)生電池不可逆熱時(shí)對(duì)應(yīng)的極化內(nèi)阻,Ω。

本文采用混合脈沖功率性能(HPPC)法來測(cè)試電芯在不同溫度和SOC下的內(nèi)阻，參考美國(guó)Freedom CAR 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在一定的溫度和SOC下，先以2C脈沖放電10 s，再靜止40 s，再以2C脈沖充電10 s，可得到該條件下的電芯的直流內(nèi)阻；再通過充放電調(diào)整SOC值，并重復(fù)上一過程，獲得不同SOC的直流內(nèi)阻，繼而得到電芯的不可逆熱。另外在高倍率充放電時(shí)，電池極化嚴(yán)重，可逆熱占比較小，約為10%～20%，最終可得到電芯的發(fā)熱功率。

2.2 電芯材料參數(shù)計(jì)算

本文采用仿真手段分析不同方案下的電芯溫度分布。電芯的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和密度的計(jì)算參考文獻(xiàn)[11]，通過將電芯各組分參數(shù)帶入到公式(4)～(7)中計(jì)算得到。

式中：kt和ko分別代表電芯在厚度方向以及與厚度垂直方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；Li代表在厚度方向上每一層材料的厚度；ki、ρi和Cpi分別代表每種材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容。

模組中其他零部件參考已有材料庫數(shù)據(jù)，具體如表1所示。冷卻液流動(dòng)狀態(tài)選擇湍流，粘度為0.003 94 Pa?s(20 ℃)。

表1 電池系統(tǒng)主要材料的物性參數(shù)

2.3 仿真模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，選取了某款三元方形電芯，并基于某脈沖工況，進(jìn)行了相應(yīng)的仿真計(jì)算和測(cè)試驗(yàn)證。電芯初始溫度35 ℃，環(huán)境溫度35 ℃，初始SOC為60%，脈沖總時(shí)間為3 600 s，進(jìn)口水溫為30 ℃，進(jìn)口質(zhì)量流量為0.05 kg/s。假設(shè)電芯是均勻發(fā)熱的實(shí)體，忽略熱輻射，流體為不可壓縮流體。其對(duì)應(yīng)的模組數(shù)模及測(cè)溫點(diǎn)如圖1所示，發(fā)熱功率、電芯溫度測(cè)試及仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 模組數(shù)模和測(cè)溫點(diǎn)圖

由圖2 可知，對(duì)比第一顆電芯不同高度的溫度測(cè)試值和仿真結(jié)果，兩者基本一致，誤差在3%以內(nèi)。證明模型具有較高的準(zhǔn)確性，能夠真實(shí)反映實(shí)際過程中的溫升以及溫差的變化。

圖2 模組發(fā)熱功率及第一顆電芯溫度測(cè)試值和仿真值比較

3 設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

3.1 導(dǎo)熱材料的加入

本節(jié)關(guān)注對(duì)已有電芯溫差的優(yōu)化，主要通過加入導(dǎo)熱材料進(jìn)行研究。

3.1.1 對(duì)三元軟包電芯加入導(dǎo)熱材料

導(dǎo)熱材料的相關(guān)設(shè)計(jì)方案如表2所示，分別研究了散熱鋁片和石墨烯對(duì)電芯溫差的影響。

表2 加入導(dǎo)熱材料優(yōu)化方案

熱仿真所使用的數(shù)模如圖3(a)所示，包括端板、側(cè)板、電芯、PC 片、泡棉、液冷板、散熱鋁片及石墨烯等，電芯采用某款三元軟包電芯，主要物理參數(shù)如表1所示，單體電芯直流內(nèi)阻(DCR)值及發(fā)熱功率如圖3(b)所示。

圖3 熱仿真模組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及單體電芯發(fā)熱功率

圖4 為基于不同導(dǎo)熱材料的優(yōu)化方案示意圖。

圖4 基于不同導(dǎo)熱材料的優(yōu)化方案示意圖

仿真的工況為：初始SOC為100%，2.2C恒倍率放電至SOC為5%，進(jìn)口水溫為20 ℃，進(jìn)口流速為12 L/min，環(huán)境溫度和模組初始溫度均為35 ℃?；诠r設(shè)定條件，對(duì)上述5種方案進(jìn)行熱仿真計(jì)算，其中放電末期模組整體和高度方向上截面的溫度分布如圖5～圖6所示。

圖5 不同優(yōu)化方案模組溫度分布圖

由圖5 可知，散熱鋁片和石墨烯的加入均能降低整個(gè)模組的最高溫度，且隨加入的數(shù)量增加，最高溫逐漸下降(如圖5 方案1 和方案2、方案3 和方案4)。同時(shí)加入石墨烯和散熱鋁片的組合方案的最高溫度比僅單獨(dú)加入散熱鋁片的方案要低。

為了比較電芯在高度方向上的溫度分布，分別選取了五種方案中高度方向截面的溫度分布云圖，如圖6 和表3所示，方案1～5 的截面溫差分別為：14.800、13.806、10.946、9.316 和8.481 ℃。

圖6 不同優(yōu)化方案高度方向截面溫度分布圖

表3 基于導(dǎo)熱材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果

加入石墨烯或者散熱鋁片均能減少電芯在高度方向上的溫差，且溫差隨石墨烯或者散熱鋁片數(shù)量的增加而進(jìn)一步降低。同時(shí)石墨烯和散熱鋁片的組合方案溫差優(yōu)于任意單獨(dú)的方案(如圖6 和表3 中方案2 和方案3)。對(duì)于方案5，顯然由于其同時(shí)加入數(shù)量最多的散熱鋁片以及石墨烯，因此其溫差降幅最大，約42%。

如圖6所示，相比于原始方案，加入石墨烯和散熱鋁片后，其最高溫度和最低溫度均有所下降，表明冷卻液與電池間實(shí)現(xiàn)了更多的熱量傳遞。因此，通過增加石墨烯和散熱鋁片等高導(dǎo)熱材料，可以有效提高電芯的導(dǎo)熱系數(shù)，增加與冷卻系統(tǒng)的換熱量的同時(shí)降低電芯本體的溫差。

3.1.2 對(duì)三元方形電芯加入導(dǎo)熱材料

本節(jié)主要展示基于某款三元方形電芯進(jìn)行的導(dǎo)熱材料優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化方式是在電芯兩面加入石墨烯(見表2)。

仿真數(shù)模工況與2.3 小節(jié)一致。圖7 和表4 分別展示優(yōu)化前后，電芯表面的溫度分布及結(jié)果對(duì)比。加入石墨烯后，電芯整體溫差從10.102 ℃降低至7.682 ℃，溫差降低了25%。電芯的最高溫度也有所下降，但是與之前軟包三元結(jié)果不同的是，其最低溫度有所上升。原因可能是熱傳導(dǎo)條件發(fā)生了變化，比如流體速度變小，進(jìn)口溫度變高，電芯導(dǎo)熱系數(shù)增加等。這樣使整體換熱效率受影響，更多熱量在底部累積，不能及時(shí)散失，造成電芯底部溫度上升。

圖7 優(yōu)化前后電芯溫度對(duì)比

表4 三元方形電芯優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

3.2 電芯尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)化

本節(jié)主要關(guān)注電芯設(shè)計(jì)階段，尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化對(duì)電芯溫差的影響，具體方案如表5所示。圖8 為電芯尺寸及導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化方案的截面溫度分布圖。表6 為電芯尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析。

表5 電芯尺寸及導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化方案

圖8 電芯尺寸及導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化方案的截面溫度分布圖

表6 電芯尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化結(jié)果分析

對(duì)比圖8 和表6 中的方案8～10 可知，保持電芯體積不變，電芯的高度和長(zhǎng)度有變化時(shí)，其在截面方向的溫差顯著下降，且隨高度的下降而下降。高度80 mm 時(shí)，溫差降幅為67%。在單位體積的發(fā)熱功率保持不變情況下，電芯高度的降低，減小了高度方向傳熱的距離，長(zhǎng)度的增加，擴(kuò)大了底部的散熱面積，改善了熱量傳導(dǎo)條件，使截面溫度顯著下降。

對(duì)比表6 中的方案11～13、方案8～10 可知，提高電芯導(dǎo)熱系數(shù)能減少電芯截面溫差。若將尺寸優(yōu)化和導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化相結(jié)合，能顯著減少電芯截面溫差。表6 中的方案13 溫差降幅達(dá)75%。

4 結(jié)論

采用液冷來冷卻大倍率充放電的電芯時(shí)，會(huì)在電芯冷卻方向上產(chǎn)生較大溫度梯度。在電芯大面添加高導(dǎo)熱系數(shù)的散熱鋁片和石墨烯材料，優(yōu)化電芯尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)，可以改變傳熱方向上的溫差值。

在冷卻液流速和溫度一定時(shí)，電芯在冷卻方向上的溫差主要與電芯的導(dǎo)熱系數(shù)和尺寸有關(guān)，通過優(yōu)化電芯尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)能降低電芯在冷卻方向上的溫差。

對(duì)于已有電芯，采用在電芯厚度垂直平面上加入高導(dǎo)熱系數(shù)的散熱鋁片和石墨烯，能降低電芯在高度方向上的溫差，且溫差隨著散熱鋁片和石墨烯數(shù)量的增加而減小，散熱鋁片和石墨烯的組合方案效果優(yōu)于任意單獨(dú)的方案。對(duì)于三元軟包電芯，每個(gè)電芯添加一片散熱鋁片及兩片石墨烯時(shí)，溫差降幅達(dá)42%；對(duì)于三元方形電芯，每個(gè)電芯添加兩片石墨烯時(shí)，溫差降幅達(dá)25%。

若降低電芯高度、增加散熱面積及提高電芯導(dǎo)熱系數(shù)，能顯著降低電芯溫差。對(duì)于三元軟包電芯，若保持體積不變，高度從168 mm 降低至80 mm 時(shí)，溫差降幅達(dá)到67%；假定電芯大面方向上導(dǎo)熱系數(shù)提高60%，溫差降幅達(dá)到75%。