車用動力電池不同冷卻方式的模擬及實驗研究

瞿曉華 郭照亮 柳 奔 張晨思 李萬勇 陳江平 施駿業,

(1 富奧智研(上海)汽車科技有限公司 上海 201100;2 上海交通大學機械與動力工程學院 制冷與低溫工程研究所 上海 200240;3 江蘇中關村節能環保研究院有限公司 常州 213300)

與傳統燃油汽車相比,電動汽車具有零污染、零排放和高能源利用率的特點,是當今汽車工業的熱點問題之一[1-2]。隨著業界增加電池容量以提高電動汽車性能,產熱增加不可避免,鋰離子電池的冷卻是涉及電池性能和行車安全的重要問題[3]。因此研發高效的動力電池冷卻系統對保障行車安全,提高汽車續航具有重要意義。

研究表明,鋰離子電池對溫度具有極高的敏感性[4-5]。當電池溫度過高時,電池的副反應速率加快,會引起電池壽命和性能的衰退,甚至導致安全事故[6-7]。F. Wicks等[8]開展大量電池充放電性能實驗,常溫下,隨著溫度的升高,其容量和輸出功率逐漸衰減。同時,低溫狀況下動力電池輸出的能量和功率也會顯著下降[9-10]。此外,除了保持電池處于合適的工作溫度,也需要保持電池溫度的一致性。上汽集團對電動客車電池性能測試表明,對于不同位置溫度差異約為6 ℃的電池包,電池容量衰減增大6%[11]。P. R. Tete等[12]也建議電池組應該運行在15～35 ℃,且最大溫差在5 ℃以內為最佳。

在動力電池的冷卻方案中,保持相同平均溫度的情況下空氣冷卻消耗的能量多于其他方法[13-15]。通過冷卻劑在金屬板中流動進行傳熱的液冷方案,是目前電動汽車電池熱管理系統的主流方案[16-18],而基于浸沒式冷卻的熱管理方案尚未被廣泛研究。

基于維持動力電池合適溫度區間和溫度均勻性的目標和保證電池安全高效運行的考量,本文研究了冷板及浸沒式冷卻的優化設計,并對比研究了二者的冷卻性能。

1 單體電池及其生熱特性

1.1 單體電池介紹

研究使用的電池為MnNiCo三元鋰電池。單體電池的熱物理參數如表1所示。電池的額定容量為120 Ah,額定電壓為3.65 V。單體電池照片如圖1所示。

表1 電池熱物理參數

圖1 單體電池照片

1.2 電池生熱特性實驗

實驗研究了絕熱環境下120 Ah三元鋰電池在充放電過程中的產熱功率,主要測試設備如圖2所示,數據采集頻率為1 Hz。

圖2 實驗用主要測試設備

圖3 電池產熱功率與電流關系擬合曲線

通過熱電偶測得單體電池溫度,正負極極耳處由于接觸電阻而產生較多熱量,導致溫度較高,不能合理反映真實應用過程中的電池溫度,故由底面3個點和側面9個點的平均溫度,用以表征電池溫度T。電池以某一恒定充放電倍率運行時,每時刻的產熱量并不相同,這是因為隨著放電或充電的進行,電池放電深度、SOC狀態、電池電壓、內部電化學反應進行的速率、電池內阻等因素發生改變,導致電池的實時產熱功率不斷變化,體現為電池溫度的不斷波動變化。利用最小二乘法的原理,處理離散的電流功率數據點,使偏差平方和最小,得到三元鋰電池的本征方程。三元鋰離子電池產熱功率與電流本征方程曲線及實驗數據點如圖5所示。

充電過程的產熱功率與電流本征方程:

qc=0.001 197I2-0.016 6I+0.790 2

(1)

相關系數R=0.996 4,標準差RMSE=1.205。

放電過程的產熱功率與電流本征方程:

qd=0.001 119I2-0.019 58I+1.254

(2)

相關系數R=0.998 2,標準差RMSE=0.050 14。

2 冷板仿真結果

2.1 冷板優化設計

電池底部冷板中液流的分布不均,會使原本就產熱不均的動力電池溫差更大。因此,針對研究的動力電池,基于液流分配均勻性、壓降特性和熱均勻性進行了仿真優化設計。如圖4所示,設計了4種不同流道數量的冷板,以尋求冷卻液分布的均勻,提高冷板的均溫性。方案一為4條平行的U形槽內嵌入4條U形流道,通過二次分流增加流道;方案二、三、四分別為平行的7條、6條、5條U形流道。

圖4 冷板流道設計

設定半冷板上的半個電池包的熱功率為250 W,且進口流量為1.66 L/min,進口溫度為15 ℃,進行仿真分析確定最優方案。

4種流道結構的仿真結果如圖5所示,Op4流線均勻性及均溫性較好。4種流道結構出口壓降分別為37、37、34、30 Pa,出口溫度分別為19.96、19.2、19.1、18.8 ℃。

圖5 不同方案仿真結果

故最終設計的冷板如圖6所示。

2.2 冷板優化模型驗證

為了對仿真模型進行驗證,設計了基于Op4方案的實驗測試動力電池的熱特性。實驗臺架由帶冷卻回路的整包動力電池、環境實驗室、充放電實驗臺和數據采集設備組成。冷卻回路包括散熱器水箱、球閥及放置動力電池包的冷板。環境實驗室由傳統的焓差實驗臺改造而成。實驗設備和平臺如圖7所示。

圖7 實驗設備和平臺

調節室內側來控制冷板入口溫度在設定值。室外側用于為動力電池提供指定的環境溫度,將電池置于常溫環境下2～4 h,以確保電池溫度穩定為室溫且電池各處溫度均勻一致。實驗和仿真參數設定:環境溫度為25 ℃,電池和冷板的初始溫度為25 ℃,入口流量為5 L/min,室內溫度為19 ℃。仿真模型熱源根據方程(1)～(2)中的單體電池充放電過程中產熱功率與電流關系獲取。瞬態仿真時長為3 000 s,仿真步長為0.5 s,每20 s保存一次數據。

仿真與實驗誤差分析如表2所示,實驗值與仿真值之間,電池最高溫度的誤差為1.67%,電池最低溫度的誤差為1.57%,充電過程中任意時刻實驗值與仿真值最大相對誤差為1.96%。所有數據的絕對誤差值均在1 ℃以內。圖8所示為實驗和仿真過程中電池溫度曲線,可以看出仿真值與實驗結果基本保持一致,驗證了仿真模型的準確性。

表2 仿真模型的驗證與誤差

圖8 實驗與仿真電池溫度

2.3 冷板冷卻效果優化

給定合適的進口溫度和流量,能夠維持電池運行在合理溫度范圍,同時更加節能高效。仿真以25 ℃為環境溫度和初始溫度,電池的充放電倍率為0.8 C。設定進口溫度分別為15、20、25 ℃,進口流量為2 L/min,研究合適的入口溫度,冷板冷卻不同進口溫度下的電池包溫度特性如表3所示,隨著進口溫度的增加,動力電池的最高溫度和平均溫度均增加,而動力電池整體的溫差在減小。這表明隨著進口溫度的增大,電池整體溫度均增大,而溫度均勻性在改善。

表3 冷板冷卻不同進口溫度下的電池包溫度特性

得到合適的入口溫度后,進一步研究進口流量的優化。設定進口溫度為15 ℃,進口流量分別為1、2、3、4、5、6 L/min。冷板冷卻不同進口流量下的電池包溫度特性如圖9所示,隨著進口流量的增加,動力電池的最高溫度和平均溫度均減小,而動力電池整體的溫差卻在增大?？芍姵乩浒宓睦鋮s效果并不均一,更大的冷量使原本溫度較低的地方溫度更低,而冷卻液未能到達的地方溫度依然很高,造成均溫性隨流量的增大而加速惡化。冷板結構特征的缺陷并不能通過增大冷卻液流量或流速而得到改善。最優的進口流量應為4 L/min,此時電池最高溫度為31.65 ℃,最大溫差為6.51 ℃,電池平均溫度為29.39 ℃。

圖9 冷板冷卻不同進口流量下的電池包溫度特性

3 浸沒仿真結果

3.1 浸沒優化設計

浸沒式冷卻已引起電動汽車行業的極大關注。本節探討流量和流速分配的合理性。仿真采用L公司的油液I作為浸沒液,其物性參數如表4所示。

表4 L公司油液I物性參數

浸沒式冷卻設計方案如圖10所示。圖10(a)為殼體設計,油液通過9個入口進入,9個出口離開,以在電池寬度上保證流量均勻性?？梢钥闯鋈舨患右詳_動,由于流阻不均,無法達到流量均勻分配的目標,從而無法有效散熱,在流動較少的地方,電池表面最高溫度可達33.25 ℃。故還需進行優化改進。

圖10 浸沒式冷卻設計方案

在殼體選定的基礎上,研究了導流板對鋰離子電池浸沒式冷卻性能的影響。通過添加導流板,改變出口位置,優化流量分布和壓降。4種不同冷卻方案如圖11所示,其中,Op1殼體上側中部添加1塊導流板,Op2殼體上側添加3塊導流板,Op3添加3塊導流板并將上出口改為下出口。

圖11 4種模擬方案設計

假定電池平均發熱功率為250 W,設定進口流量為2 L/min,進口溫度為25 ℃,對浸沒式冷卻設計進行仿真分析。CFD模擬分析結果如圖12所示。3種方案電池最高溫度分別下降了3.81、3.56、4.86 ℃,且Op3流量分布最均勻。

圖12 4種方案的流線分布

3.2 浸沒冷卻效果優化

為了在維持電池合理溫度的同時,盡可能減小泵功,采用最優化的電池殼體結構進一步仿真優化,研究合適的入口溫度和流量。仿真條件及工況設置與2.3節相同。設定進口溫度分別為15、20、25 ℃,進口流量為2 L/min,不同進口溫度下的電池包溫度特性如表5所示,隨著入口溫度的減小,電池表面最大溫度和平均溫度均持續減小,同時溫差也持續減小,但減小幅度下降。這表明隨著進口溫度的減小,電池整體溫度減小,電池表面溫度均勻性也持續改善。

表5 浸沒冷卻不同進口溫度下的電池包溫度特性

得到合適的入口溫度后,進一步研究合適的進口流量,為了便于對比冷卻效果,設定相同的進口流量。浸沒冷卻方式不同進口流量下的電池包溫度特性如圖13所示,隨著進口流量的增加,動力電池的最高溫度、平均溫度和動力電池整體的最大溫差均減小。這表明隨著進口流量的增大,電池整體溫度得到有效降低,且改善了電池表面的溫度均勻性。同時,電池溫度和最大溫差的降低趨勢變得緩慢,可知浸沒冷卻效應雖然隨著流量的增大效果逐漸減弱,但能夠克服冷板由于結構導致流量分布不能完全均一的缺陷?？紤]到動力電池的最佳運行溫度區間為20～40 ℃,故進口溫度為25 ℃且進口流量為3 L/min較為合適,此時電池最高溫度為27.17 ℃,電池平均溫度為25.79 ℃,最大溫差為1.76 ℃。

圖13 浸沒冷卻方式不同進口流量下的電池包溫度特性

4 冷板和浸沒冷卻效果對比

為進一步明確浸沒式冷卻的特點與優勢,將相同溫度下的浸沒冷卻電池表面溫度分布與冷板冷卻電池表面溫度分布進行對比,對比結果如圖14所示。

相比于冷板冷卻,浸沒式冷卻在相同工質溫度下呈現出更優良的電池表面溫度特性,且隨著工質溫度的升高,優勢越來越顯著。當浸沒工質溫度與水冷板溫度分別均為15、20、25 ℃時,浸沒冷卻下的電池表面平均溫度比冷板冷卻下的平均溫度分別低14.93、11.96、11.72 ℃,浸沒冷卻下的電池表面最高溫度比冷板冷卻下的最高溫度分別低15.33、12.97、10.17 ℃,浸沒冷卻下的電池表面最大溫差分別比冷板冷卻下的溫差小3.70、2.54、1.85 ℃。

5 結論

本文搭建了車用動力電池冷板冷卻和浸沒式冷卻系統,以降低功耗為目標,對兩種冷卻方式的流量分布進行了優化,研究了不同入口溫度和流量對電池表面溫度分布造成的影響,并在常溫恒倍率充電的工況下,對比了兩種冷卻方式的冷卻效果,得到如下結論:

1)浸沒冷卻作用能夠大幅降低電池表面平均溫度、電池表面最高溫度與電池表面溫差。當電池充放電倍率為0.8 C時,工質進口溫度為25 ℃,進口流量為2 L/min,電池表面平均溫度為26.11 ℃,電池表面最高溫度為28.49 ℃,電池表面最大溫差為2.39 ℃。

2)對比浸沒式冷卻下的整包動力電池溫度分布與冷板冷卻下的溫度分布,結果表明,浸沒式冷卻能夠使電池呈現出更優良的表面溫度特性。當電池充放電倍率為0.8 C時,冷板進口溫度為15 ℃,浸沒進口溫度為25 ℃情況下,電池包表面平均溫度、最高溫度與溫差分別比冷板冷卻下的溫度低4.95 ℃、4.97 ℃與3.05 ℃。

3)相同流量下,對于冷板冷卻,當進口溫度增加時,電池表面溫度增加,但電池表面溫度均勻性會改善;對于浸沒冷卻,更低的工質溫度能夠普遍降低電池表面溫度并使電池表面溫度均勻性改善。相同工質溫度下,對于冷板冷卻,當流量增加時,電池表面溫度降低,但電池表面溫度均勻性會下降;對于浸沒冷卻,當流量增加時,電池表面溫度降低的同時電池表面均勻性也會改善。