鄒艷紅

（云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 昆明 652501）

0 引言

目前動(dòng)力電池以鋰離子電池為主，其充放電過(guò)程發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(dòng)力電池的產(chǎn)熱機(jī)理也存在較大的差異。當(dāng)車輛在不同路況上行駛時(shí)動(dòng)力電池組會(huì)以不同的倍率放電而以不同生熱速率產(chǎn)熱，從而導(dǎo)致電池組內(nèi)部溫度過(guò)高和溫度分布不均勻[2,3]。動(dòng)力電池的性能受溫度影響很大，對(duì)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(guò)熱會(huì)導(dǎo)致電池組出現(xiàn)安全問(wèn)題[6]。一般認(rèn)為，磷酸鐵鋰電池組的最高工作溫度不應(yīng)超過(guò)55℃，電池組內(nèi)部溫差不應(yīng)超過(guò)5℃[7]。因此，熱管理對(duì)提高電池性能和抑制熱失控至關(guān)重要[8]，對(duì)其進(jìn)行有效的熱管理已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。為了提高動(dòng)力電池組的效率及安全性，有必要采用合理的冷卻技術(shù)使電池組有效工作[9]。

風(fēng)冷、液冷、熱管冷卻及相變材料冷卻是當(dāng)前動(dòng)力電池的主要冷卻方式[10-13]。風(fēng)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(fù)雜，對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)輸出，相變材料熱管理存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，相變材料冷卻，作為一種被動(dòng)冷卻方式，與主動(dòng)冷卻（風(fēng)冷、液冷）相結(jié)合，才能滿足動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)日益苛刻溫度要求。

目前的動(dòng)力電池?zé)峁芾淼难芯看蠖技性趩为?dú)研究快充或快放條件下動(dòng)力電池?zé)崽匦訹14,15]，但隨著新能源汽車技術(shù)，尤其是快充技術(shù)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(shí)，即動(dòng)力電池快充后立即快放，目前缺乏快充后立即快放方面動(dòng)力電池?zé)嵝阅艿难芯俊２捎脭?shù)值模擬研究了快充快放條件下動(dòng)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(duì)電池模塊散熱效果，分析了上述兩種散熱方式對(duì)電池模塊溫差和最高溫度的控制作用。

1 動(dòng)力電池參數(shù)及模型驗(yàn)證

1.1 動(dòng)力電池及冷卻材料參數(shù)

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

表1 動(dòng)力電池相關(guān)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(gè)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(zhǎng)：242mm；寬：242mm。圖1（a）為純相變材料冷卻動(dòng)力電池模塊模型，通過(guò)對(duì)四個(gè)部位的電池中心溫度來(lái)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(jìn)口，右側(cè)下方是液體出口。通過(guò)對(duì)五個(gè)部位的電池中心溫度來(lái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證模型準(zhǔn)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(yīng)曲線進(jìn)行比較。本文仿真選取電池表面中心位置進(jìn)行溫度監(jiān)控，從圖2 可看出，仿真和實(shí)驗(yàn)吻合較好，最大相對(duì)誤差為2.5%，計(jì)算具有較高的準(zhǔn)確度。

圖2 仿真與實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(duì)電池模塊溫度和溫差的影響。從圖看出，當(dāng)充電倍率一定時(shí)，放電倍率的增大會(huì)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(dāng)5C 充電5C放電時(shí)，溫度最高，達(dá)到81.9℃，超過(guò)電池的安全溫度，溫差最大4.53℃。純相變散熱電池模塊對(duì)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(duì)電池模塊溫度控制效果不好，仍需后期進(jìn)一步改善優(yōu)化系統(tǒng)。

圖3 不同充放電倍率對(duì)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(dòng)力電池模塊熱性能

為了解決純石蠟冷卻動(dòng)力電池仍然存在溫度較高的問(wèn)題，采用液體與相變材料耦合的散熱系統(tǒng)。通過(guò)分析動(dòng)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(dòng)力電池組的正常運(yùn)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(duì)電池模塊進(jìn)行散熱時(shí)，當(dāng)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(jìn)入管道可以帶走更多熱量?？拷鋮s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(yuǎn)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(duì)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(yīng)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(shí)，保持其他參數(shù)不變，改變管道流速，對(duì)模型進(jìn)行仿真，得到不同進(jìn)口流速下電池模塊的溫度值。在此計(jì)算充電倍率為5C 放電倍率為5C 時(shí)，流速?gòu)?.03m/s-1m/s 的變化對(duì)電池模塊溫度場(chǎng)、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?gòu)?.03m/s 增加到1m/s 時(shí)，電池模塊最高溫度有所下降。當(dāng)流速為1m/s 時(shí)，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(chǎng)變化不明顯，且需要考慮流速增加會(huì)使系統(tǒng)壓降增加程度，說(shuō)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(huì)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(dòng)力電池最高溫度降低，流速為1m/s 時(shí)，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(shí)的壓降較小，具有明顯優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(dāng)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(jìn)行電池模塊散熱后，電池模塊的溫差和最大溫度都滿足動(dòng)力電池的安全標(biāo)準(zhǔn)。純相變冷卻系統(tǒng)中，電池最高溫度達(dá)到81.9℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全溫度，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)。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(dòng)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(duì)基于純相變冷卻方式熱性能分析，針對(duì)電池模塊存在過(guò)高溫度的問(wèn)題，采用基于液冷與相變材料耦合對(duì)電池模塊進(jìn)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(shí)，當(dāng)充放電倍率增大時(shí)，溫差在安全范圍之內(nèi)，但最高溫度較高，不能滿足動(dòng)力電池溫度要求。純相變散熱電池模塊對(duì)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(duì)電池模塊溫度控制效果不好，例如，當(dāng)5C 充電5C 放電時(shí)，溫度最高，達(dá)到81.9℃，超過(guò)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(dòng)力電池的溫度過(guò)高及溫差過(guò)大問(wèn)題。