电动汽车锂电池模块化热管理系统的设计及实验研究

苟飘,徐俊,刘晓艳,王海涛,梅雪松

(1.西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室,710049,西安;2.西安交通大学机械制造与系统工程国家重点实验室,710049,西安;3.西安交通大学机械工程学院,710049,西安)

电动汽车普遍使用的锂电池对温度敏感性高,在高温下极易导致电池的性能退化,极端情况下甚至导致热失控,威胁人车安全[1]。因此,对电池包进行冷却成为电动汽车的研究之一[2]。

目前,电池包的冷却方式主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却等[3]。空气冷却结构简单、成本低,但是存在冷却效果不足、温度均匀性不好的缺点,目前的研究旨在通过风扇、流道和翅片增加其散热效率[4-5]。相变材料冷却结构简单,温度均一性好,但是相变材料导热不足,近几年的研究主要集中在改变材料的成分以提高导热性[6]。热管冷却效果好,且不需要额外功率,但是相关的研究还处于起始阶段,应用性不足[7]。液体冷却具有良好的导热性,近几年的研究不断增多[8-12]。Zhao等人提出了一种针对圆柱电池的微型管道液体冷却结构,利用仿真研究了结构的通道数量、流速、流向、入口尺寸对冷却效果的影响[13]。Jarrett和Wei等人通过电池温度、温差和压降等参数研究了冷板的流道弯曲排布形状[14-16]。Rao等人提出了和圆柱电池表面贴合的冷却结构,并研究了其余电池的接触面积对冷却效果的影响,提出了变接触面的设计利于散热的结论[17]。Zhang和Yeow等人通过增加石墨片或者翅片的方式,有效地提高了电池的温度均匀性[18-19]。

本文针对电动汽车锂电池在高温情况下极易引发电池的性能退化,甚至导致热失控的问题,提出了一种电动汽车锂电池模块化热管理系统方案;对该系统的冷却液特性进行了仿真与优化;仿真研究了冷却液流速、管道连接方式对电池模组冷却性能的影响;根据仿真优化结果,设计并搭建实验平台进行了实验验证。

1 模块化结构

模块化系统结构电池包如图1所示。这种结构包括多个可以自由组合的冷却单体,电池位于冷却单体之间,并采用交叉排列方式。每个冷却单体由铝合金制成,内部为腔体结构,并与直径为6 mm的出入口组成流道,流道内充满可以自由流动的冷却液,利用冷却液的流动迅速带走电池在工作时产生的热量,保证电池工作在一个合适的工作范围内。为了增大电池与冷却单体之间的接触面积以提高冷却效率,每个冷却单体与电池的圆柱面之间填充导热硅胶片。在后续实验过程中,冷却液流道可以根据实验需求进行流道的串联与并联。

图1 模块化系统结构电池包示意图

为了研究该结构的冷却效果,选取6块冷却单体和20节18650锂电池组成电池模组并进行研究。电池采用交错排列的方式,同排电池间距为5 mm,相邻两排电池间距为2 mm。电池详细参数如表1所示。

表1 实验用18650锂电池参数

2 电池关键参数获取

2.1 电池内阻

电池内阻是电池的重要参数,其值与电池荷电状态(SOC,用符号ξSOC表示)有关,受环境温度以及放电倍率的影响很小。实验中,为了获取电池的内阻与ξSOC的关系,在环境温度为25 ℃下,对电池进行0.5C倍率(C表示电池充放电时电流的比率,充放电倍率=充放电电流/额定容量)放电,完成内阻测试实验。对实验所获得的不同ξSOC下的内阻数据进行处理,并对实验数据进行函数拟合,即可得到电池内阻与ξSOC的变化关系如下

(1)

电池内阻与ξSOC的关系曲线如图2所示。通过图2可知,电池的内阻随ξSOC的变化很大,函数拟合方差为0.820 7,说明拟合度较好。

图2 电池内阻与ξSOC的关系曲线

2.2 熵热系数

熵热系数表示电池的开路电压(OCV)对温度T变化的导数,其值的大小与ξSOC有关,受初始环境温度以及放电倍率的影响很小。为了获取熵热系数与ξSOC的关系,在电池在环境温度为25 ℃下进行0.5C放电实验,在某个ξSOC下静置足够长时间得到OCV数据。在正交坐标系中,以环境温度为横轴,OCV数据为纵轴,拟合直线,其斜率即为此ξSOC下的熵热系数[20]。根据实验得到电池在不同ξSOC下的熵热系数与ξSOC的关系,如图3所示。

图3 电池熵热系数与ξSOC的关系曲线

电池熵热系数与ξSOC的关系曲线拟合函数为

(2)

式中:x代表ξSOC。根据拟合结果,方差为0.999,说明拟合度很好。由拟合结果可以看出,熵热系数与ξSOC的关系为5次多项式。

3 电池模型的仿真与实验验证

3.1 电池产热模型

根据Bernardi提出的电池产热模型,电池产热主要包括可逆热和不可逆热两部分。不可逆热包括电池产生的焦耳热和由于过电压导致的热量,可逆热的产生和电化学反应的熵变有关[21]。电池产热的具体模型如下

(3)

式中:Q表示电池产热,J;I表示电池放电电流,A;R表示电池的内阻,Ω;T表示电池的实时温度,K;dU/dT表示熵热系数,V/K。

3.2 模型的仿真与实验验证

为了保证后续电池组液冷结构研究时模型的准确性,本文先验证电池产热模型的准确性。因此,本节对电池产热模型进行仿真与实验验证。

(1)仿真理论基础。由于在电池与冷却模组的接触面紧密填充了薄层的导热硅胶片,因此可以假定电池与模组之间的接触内阻忽略不计,则仿真时需要满足如下方程。

连续性方程

(4)

水是不可压流动,密度ρ为常数,则式(4)变为

(5)

动量方程

(6)

能量方程

(7)

传热学方程

(8)

式中:ρc、Cpc分别为电池的密度、比热容;kcx、kcy、kcz分别为电池在3个方向上的导热系数;λc为对流传热系数。

(2)网格无关性验证。在对电池模组进行仿真之前,需要先进行网格无关性验证,以排除网格划分对结果精确度的影响。本文对电池模组进行了3种网格划分,网格单元数分别为365 040、556 512和788 771,其余设置均相同,表2为不同网格数量下的结果。以电池的平均温度为对比,其偏差分别为0.006%和0.009 9%,说明仿真结果不受网格数量的影响。因此,后续研究选取网格数为365 040。

表2 电池模组3种网格划分情况

(3)仿真参数设置与实验验证。本文使用ANSYS Fluent16.0进行仿真,基于压力的求解器,采用SIMPLE算法进行求解。时间步长设置为0.1 s,能量方程的收敛参数为10-9。使用UDF编程计算生温度随时间的变化,作为体热载荷加载到电池上。流体入口设置为速度入口,出口为自由出口,边界条件设置为对流,对流传热系数为5 W/(m2·K),初始温度为25 ℃,放电倍率分别为1C、2C、3C,充电倍率为1.6C。仿真与实验对比结果如图4所示。

图4 电池单体不同放电倍率下的温度变化

从图中可以看出,放电倍率分别为1C、2C、3C时对应的电池放电的最高温度分别为32.2、44.2、57 ℃,1.6C充电倍率下电池的最高温度为30.5 ℃。从图4和表3可知,仿真与实验的温度趋势基本一致,最大误差为1.03 ℃,仿真精度高,保证了电池产热模型的准确性。

表3 不同放电倍率下仿真的温度误差表

4 模块化结构的优化与实验验证

目前锂离子电池的最佳工作温度范围为25～40 ℃[22],而由上述实验可知,电池在环境温度为25 ℃下进行2C和3C倍率放电,电池的最高温度超过了电池的最佳工作温度范围。因此,为了探究本文所提出的模块化冷却结构的冷却特性并进行优化,选择电池在25 ℃、3C放电倍率下的温度数据作为对照组,并从冷却液流量和串并联方式对温度场的影响进行研究,优化冷却特性。

4.1 流量对电池包温度场的影响

为了研究冷却模组中的冷却液流量对电池包温度场的影响,选取40～140 mL/min的流量范围,流量间隔为20 mL/min。连接方式为串联,不同冷却液流量下的仿真结果如图5所示。

图5 不同冷却液流量下电池包最高温度和温差

由仿真结果可知,串联情况下,电池的最高温度和温差均随流速的增大而减小,减小的趋势逐渐变缓。随着流量的增大,最高温度依次降低了5.08、3.18、2.32、1.53、0.52 ℃,温差依次减小了3.7、2.52、1.92、1.25、0.33 ℃。在流量为140 mL/min时,电池包的最高温度为40.85 ℃,温差为9 ℃,不能达到电池包的温度要求。因此,增大流量只能在一定程度内有效提高冷却效率,超过某一值后,流量继续增大但冷却效果提高不再明显,反而因提高流量消耗的功率增大。流量的选取应权衡冷却效果与消耗功率的利弊。

4.2 串并联对电池温度场的影响

为了进一步探究电池冷却管道串并联对电池场温度的影响,对电池组在初始环境温度为25 ℃、放电倍率为3C、冷却液流量为80 mL/min情况下分别进行串并联仿真。电池编号以入口附近的电池为1,沿着水流方向依次编号到20。

连接方式为串联情况下的仿真云图如图6所示。由仿真结果可知,电池的温度沿着冷却液流动方向逐渐升高,电池的最高温度为45.22 ℃,大于锂电池最佳工作温度范围(25～40 ℃),电池的温差为12.5 ℃,大于5 ℃。

图6 25 ℃下3C放电串联冷却电池温度场

初始环境温度为25 ℃,放电倍率为3C,冷却液液流速为80 mL/min,连接方式为并联情况下的仿真云图如图7所示。由仿真结果可知,并联的最高温度和温差分别为37.67 ℃和5.76 ℃,相比串联各下降了7.55 ℃和6.74 ℃,且最高温度出现在12号电池。

图7 25 ℃下3C放电并联冷却电池温度场

为了进一步对比分析串并联对电池温度场影响的差异,将两种连接方式下不同电池之间的最高温度,温差数据进行处理,得到串并联下各个电池温度对比结果,如图8所示。从图8可知:在串联情况下,同一排中的不同电池温度差异很小,排与排之间的平均温差依次为2.85、2.20、1.1,0.95 ℃,温差依次减少;在并联情况下,同一排中的不同电池温度差异较大,排与排之间的平均温差较小,分别为1.13、1.11、1.52、1.09 ℃,说明并联结构使电池包中部的热量不易积累,对降低电池包的最高温度和提高电池包的温度均匀性具有更好的效果。

图8 流量80 mL·min并联和串联不同位置电池表面平均温度

4.3 模块化冷却结构的实验验证

4.3.1 实验平台搭建 电池测试平台的原理图如图9所示,主要包括5个部分:新威电池测试设备、电池包、冷却系统、温度采集仪和上位机。18650电池共20节,电池包的容量为44 A·h,电压为5 V。电池正负极与新威充放电设备相连,通过上位机设置电池的运行工况,并实时记录数据。安柏温度采集仪使用热电偶采集温度,并将数据实时记录在上位机的软件中。由于18650电池的体积小,电池工作时的温度分布相对均匀,因此每节电池布置一个热电偶,位于电池与冷却模组的接触面中部。冷却模组的整体高度为40 mm,布置于电池中部。使用水泵(量程为20～110 mL/min)将水送入冷却模组中的入口,配合使用玻璃转子流量计(量程10～150 mL/min)调节流量的大小,流经冷却模组的冷却水经过出口回流到水箱中,构成循环流动。

图9 电池测试平台原理图

实验的具体过程为:在保证电池充满的情况下,打开新威电池测试设备对电池进行恒流放电,同时打开水泵,并调节流量计到目标流量;在电池放电过程中,安柏温度采集仪实时获取每个电池单体的温度;最后对采集的数据进行处理。实验台实物图如图10所示。

图10 电池参数测试实验平台

4.3.2 实验验证 设置环境温度为25 ℃,冷却液流量为80 mL/min且采用并联方式,对电池进行3C放电,得到20号电池的实验温度和仿真温度如11所示。由图11可知,实验温度和仿真温度两者最大误差为5.5%。仿真温度高于实验温度,原因是仿真中为了简化模型,忽略了电池与冷却单体之间的接触热阻,而实验中接触热阻的存在导致电池在传递热量时产生损耗,造成了实验温度较低。此外,仿真中为了简化模型,将电池整体作为发热体,而在实际中,电池中的发热体为除去电池外壳的内芯部分,因此仿真中发热体积大于实际发热体积,使仿真温度较高。

图11 并联25 ℃下3C放电最高温度实验和仿真对比图

仿真中温度最高的电池为12号电池,实验测试温度取对应12号电池的温度数据,仿真与实验的温度曲线基本一致,最大误差为2.99%。根据并联结果可知,并联时温度在前400 s先上升,然后在后800 s基本稳定。这说明,并联下的电池包能使电池的温度在尽量短的时间后达到稳定状态,缩短了温度大范围波动的时间,大大减小了过大的温度波动对电池造成的影响。

5 结 论

本文提出了一种电动汽车锂电池模块化热管理系统方案,对该系统的冷却液特性进行仿真与优化。仿真研究了冷却液流速、管道连接方式对电池模组冷却性能的影响并进行了优化,根据仿真优化结果,设计并搭建实验平台进行实验验证,结果如下:

(1)增大流量只能在一定程度内有效的提高冷却效率,流量的选取应权衡冷却效果与消耗功率的利弊;

(2)并联的最高温度和温差比串联各下降了7.55 ℃和6.74 ℃,并联对提高电池包的温度均匀性具有较好的效果;

(3)并联结构使电池包中部的热量不易积累,在电池包数量较大时,宜采用并联方式;

(4)并联缩短了温度大范围波动的时间,减小了过大的温度波动对电池造成的影响。