不同冷卻策略下動力電池模塊的熱性能比較研究

鄒艷紅

（云南國土資源職業(yè)學院 昆明 652501）

0 引言

目前動力電池以鋰離子電池為主，其充放電過程發(fā)生電化學反應而伴有熱量產(chǎn)生，產(chǎn)熱量主要是由以下五部分組成[1]：電化學反應熱、極化熱、歐姆內(nèi)阻熱、電解液分解熱和SEI 膜分解熱。在不同工況下，動力電池的產(chǎn)熱機理也存在較大的差異。當車輛在不同路況上行駛時動力電池組會以不同的倍率放電而以不同生熱速率產(chǎn)熱，從而導致電池組內(nèi)部溫度過高和溫度分布不均勻[2,3]。動力電池的性能受溫度影響很大，對于電池的工作溫度或電池模塊中單體之間的溫度一致性要求十分的苛刻[4,5]，局部過熱會導致電池組出現(xiàn)安全問題[6]。一般認為，磷酸鐵鋰電池組的最高工作溫度不應超過55℃，電池組內(nèi)部溫差不應超過5℃[7]。因此，熱管理對提高電池性能和抑制熱失控至關重要[8]，對其進行有效的熱管理已成為國內(nèi)外研究熱點。為了提高動力電池組的效率及安全性，有必要采用合理的冷卻技術使電池組有效工作[9]。

風冷、液冷、熱管冷卻及相變材料冷卻是當前動力電池的主要冷卻方式[10-13]。風冷系統(tǒng)成本低，但受環(huán)境溫度影響大，換熱系數(shù)低。液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，對密封要求高，但冷卻效果好。熱管冷卻、相變材料冷卻控溫性能好，但只是利用物質(zhì)相變吸收熱量，不能及時將熱量傳遞至外界。相變材料熱管理系統(tǒng)只適用于溫和的操作工況下，面對極端的工作條件，例如較高的環(huán)境溫度、較高的充放電倍率，熱量不能及時輸出，相變材料熱管理存在失效的風險。因此，相變材料冷卻，作為一種被動冷卻方式，與主動冷卻（風冷、液冷）相結(jié)合，才能滿足動力電池熱管理系統(tǒng)日益苛刻溫度要求。

目前的動力電池熱管理的研究大都集中在單獨研究快充或快放條件下動力電池熱特性[14,15]，但隨著新能源汽車技術，尤其是快充技術的發(fā)展，傳統(tǒng)上新能源汽車晚上充電、白天行駛已不能滿足要求，充電后立即行駛已成為現(xiàn)實，即動力電池快充后立即快放，目前缺乏快充后立即快放方面動力電池熱性能的研究。采用數(shù)值模擬研究了快充快放條件下動力電池組在不同倍率充放電下的傳熱特性，比較了純相變冷卻和液冷與相變材料耦合的冷卻對電池模塊散熱效果，分析了上述兩種散熱方式對電池模塊溫差和最高溫度的控制作用。

1 動力電池參數(shù)及模型驗證

1.1 動力電池及冷卻材料參數(shù)

本文研究采用38120 動力磷酸鐵鋰電池，該電池的參數(shù)如表1 所示。

表1 動力電池相關參數(shù)Table 1 Parameters of power battery

本文采用石蠟為相變材料，水為液冷介質(zhì)，材料物性參數(shù)如表2 所示。

表2 材料物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of materials

1.2 電池模塊布置

采用Fluent 軟件建立幾何模型，將38120 磷酸鐵鋰電池以6P6S 的形式組合成一個電池組，電池之間間隔2mm，圓形表示電池，其他區(qū)域填充相變材料。電池模塊尺寸，長：242mm；寬：242mm。圖1（a）為純相變材料冷卻動力電池模塊模型，通過對四個部位的電池中心溫度來代表電池組的溫度，并以T1、T2、T3 和T4 表示電池1、電池2、電池3 和電池4 的溫度，用電池1 和電池4 的溫差代表電池模塊內(nèi)部溫差。圖1（b）為液體與相變材料耦合冷卻。圖中左側(cè)上方是液體進口，右側(cè)下方是液體出口。通過對五個部位的電池中心溫度來代表電池組的溫度，并以T1、T2、 T3、T4 和T5表示電池1、電池2、電池3、電池4 和電池5 的溫度。

圖1 基于相變材料冷卻（a）及液體與相變材料耦合冷卻（b）電池模塊模型Fig.1 Battery module model based on(a)PCM cooling(b)liquid and PCM coupling cooling

1.3 仿真與實驗結(jié)果對比

為了驗證模型準確性，選用羅煒寧等人[9]在1.5C 倍率下單體電池放電溫度響應曲線進行比較。本文仿真選取電池表面中心位置進行溫度監(jiān)控，從圖2 可看出，仿真和實驗吻合較好，最大相對誤差為2.5%，計算具有較高的準確度。

圖2 仿真與實驗溫升曲線比較Fig.2 Comparison of temperature rise curves between simulation and experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 基于相變材料冷卻的動力電池模塊熱性能

圖3 表示不同充電倍率下（充電倍率依次為a:2C、b:3C、c:4C 和d:5C）各放電倍率對電池模塊溫度和溫差的影響。從圖看出，當充電倍率一定時，放電倍率的增大會提高電池模塊的最高溫度和溫差，同一放電倍率下，隨著充電倍率的增大，電池模塊的最高溫度和溫差增大。例如，當5C 充電5C放電時，溫度最高，達到81.9℃，超過電池的安全溫度，溫差最大4.53℃。純相變散熱電池模塊對電池模塊的溫度均勻性起到積極作用，但快充快放條件下對電池模塊溫度控制效果不好，仍需后期進一步改善優(yōu)化系統(tǒng)。

圖3 不同充放電倍率對電池模塊溫度和溫差的影響Fig.3 Effect of different charge discharge ratio on temperature and temperature difference of battery module

2.2 基于液體與相變材料耦合的動力電池模塊熱性能

為了解決純石蠟冷卻動力電池仍然存在溫度較高的問題，采用液體與相變材料耦合的散熱系統(tǒng)。通過分析動力電池模塊最大溫差和最高溫度，得到最優(yōu)參數(shù)，以滿足動力電池組的正常運行。

2.2.1 不同流速下電池模塊不同區(qū)域的溫度云圖

采用液體與相變材料耦合對電池模塊進行散熱時，當電池模塊5C 充電5C 放電下得到電池的溫度云圖如圖4 所示，從圖中可以看出電池模塊溫度云中溫度區(qū)域分布比較均衡，電池模組最低溫度處于電池2，主要由于電池與周圍空氣散熱，并且液體剛進入管道可以帶走更多熱量。靠近冷卻管道入口的區(qū)域冷卻效果較好，溫度較低，電池模塊中部區(qū)域遠離管道入口區(qū)域溫度較高。隨著管道液體流速的增大，電池模塊溫度下降，溫度均勻性有所改善，因此，流速的增大對電池散熱有積極的作用。

圖4 不同流速的電池溫度云圖Fig.4 Cloud diagram of battery temperature at different flow rates

2.2.2 不同流速下電池的溫度響應曲線

液體與相變材料耦合的冷卻系統(tǒng)中液體流速是影響電池模塊溫度的重要因素。在電池溫度和環(huán)境溫度為25℃時，保持其他參數(shù)不變，改變管道流速，對模型進行仿真，得到不同進口流速下電池模塊的溫度值。在此計算充電倍率為5C 放電倍率為5C 時，流速從0.03m/s-1m/s 的變化對電池模塊溫度場、溫差和最高溫度的影響。

圖5 表示不同流速下電池的溫升情況。圖中可以看出，液體流速從0.03m/s 增加到1m/s 時，電池模塊最高溫度有所下降。當流速為1m/s 時，溫度最高為47.85℃，電池模塊溫度和溫差都在安全范圍之類。繼續(xù)增大流速，電池模塊溫度場變化不明顯，且需要考慮流速增加會使系統(tǒng)壓降增加程度，說明流速并不是越大越好。表3 所示為不同流速下管道的壓降情況，由此可以看出，流速增加，壓降隨之增加，會增加系統(tǒng)的泵耗。

圖5 不同流速的電池溫升Fig.5 Battery temperature rise at different flow rates

綜合圖6 和表3，可分析如下：隨著流速增加，可使動力電池最高溫度降低，流速為1m/s 時，電池模塊最高溫度最低。流速增大并不能一直降低溫差，流速為0.05m/s、0.1 m/s、0.5 m/s 三者溫差相差不多，但流速0.05m/s 時的壓降較小，具有明顯優(yōu)勢。綜上，考慮電池模塊的最高溫度、溫差、壓降，在5C快充5C快放條件下，最佳流速為0.05m/s。

圖6 不同流速對最高溫度和溫差影響Fig.6 Effects of different flow rates on maximum temperature and temperature difference

表3 不同流速下的壓降Table 3 Pressure drop at different flow rates

2.3 兩種冷卻策略的比較分析

當電池模塊5C 快充，立即5C 快放條件下，兩種冷卻策略下的熱性能比較如圖7 所示。比較發(fā)現(xiàn)在采用液冷與相變材料耦合進行電池模塊散熱后，電池模塊的溫差和最大溫度都滿足動力電池的安全標準。純相變冷卻系統(tǒng)中，電池最高溫度達到81.9℃，遠遠大于安全溫度，通過加入液冷，電池最高溫度降低34.57℃，使電池最高溫度符合安全標準。因此，考慮電池模塊最大溫度，基于液冷與相變材料耦合的散熱系統(tǒng)更有利于降低電池模塊最高溫度。從電池模塊最大溫差角度看，基于液冷與相變材料耦合的散熱方式有利于電池模塊的溫度均衡。

圖7 兩種冷卻策略下的動力電池的熱性能比較Fig.7 Comparison of thermal performance of power battery under two cooling strategies

3 結(jié)論

對基于純相變冷卻方式熱性能分析，針對電池模塊存在過高溫度的問題，采用基于液冷與相變材料耦合對電池模塊進行優(yōu)化和分析。得出了以下結(jié)論：

（1）純相變冷卻電池模塊時，當充放電倍率增大時，溫差在安全范圍之內(nèi)，但最高溫度較高，不能滿足動力電池溫度要求。純相變散熱電池模塊對電池模塊的溫度均勻性起到積極作用，但快充快放條件下對電池模塊溫度控制效果不好，例如，當5C 充電5C 放電時，溫度最高，達到81.9℃，超過電池的安全溫度。

（2）液冷與相變材料耦合最有利于降低電池模塊溫度，在不同的快充快放倍率下，基于液冷與相變材料耦合的冷卻系統(tǒng)，選擇合適最佳0.05m/s，可以解決快充快放條件下動力電池的溫度過高及溫差過大問題。