摘要

鋰離子電池已成為引領下一輪汽車革命的最合適的選擇，其功率密度、高能量和封裝效率是主要的參考因素。電池的動態(tài)運行和工作環(huán)境導致電池熱管理是影響電池工作的主要因素。分別對不含和含冷卻管理的電池系統進行了設計和仿真計算。最初，采用296個鋰離子電池設計了66 kWh/400V的無冷卻電池系統，整體尺寸1550×1190×270mm，重量400kg。結果表明：溫度分布高于電池的最佳性能溫度范圍(25-55℃)?？紤]余熱的耗散和電池溫度分布的均勻性，在系統中添加了冷卻系統。使用含40%乙二醇水溶液對電池進行散熱，電池系統恒定功率輸入1868W，冷卻液溫度24℃，入口流量352kg/h。結果表明：冷卻液溫度低于46℃，電池溫度低于50℃；分析并驗證冷卻液的壓降，對電池冷卻系統各處的溫度進行對比分析。

1.電池熱參數-產熱及其影響

1.1.鋰離子電池

鋰離子電池由正極、負極和電解質組成，在充電過程中電子從正（陽極）移動到負（陰極）電極，反之亦然。與其他電池技術相比，鋰離子電池的優(yōu)勢在于其體積和質量-能量密度。該特性使鋰離子電池對不同應用領域非常有吸引力，尤其是在能量密度至關重要的汽車行業(yè)。鋰電池有三種不同的形狀，即圓柱形，棱形，及袋狀。

1.電池內部產熱

變熵電化學反應和變電流電阻熱在電池充電和放電過程中產生的熱量。在不使用冷卻系統的情況下，放電過程中產生的熱量進入電池。一旦找到了熱產生和熱傳遞速率，t就可以在每個時步中計算，如下式：

其中，m代表模塊質量，Cp表示模塊比熱容。

2.電池性能

鋰離子電池的性能很大程度上取決于電池的溫度。鋰離子電池的最佳工作溫度為25 ~ 55℃，在此范圍之外將對電池的性能和壽命產生負面影響

3.鋰離子電池的熱失控

當電池溫度超過一定限度時，就會發(fā)生一系列的放熱反應，從而進一步提高溫度。鏈式反應會持續(xù)下去，導致熱失控。如圖1所示，熱失控過程中產生的大量熱量和氣體會導致火災和爆炸。熱失控可由高溫、過充、短路、釘穿等多種原因引起，分析由過熱引起的爆炸。當SEI(固體電解質界面)分解時，熱失控在大約80℃開始，SEI是負極和液體電解質之間的保護層。隨著SEI的破壞，電解質和電極將在100℃左右開始反應，放出大量的熱進一步提高溫度。在130℃時，陽極和陰極之間的分離器熔化并導致內部短路。在200℃時，鏈式反應開始首先是鋰金屬氧化物，然后電解液與氧氣反應并分解。

圖1 單個電池的產熱

4.電池熱管理系統

如前所述，不合適的電池溫度會對電池的性能、壽命和安全性產生負面影響。因此，每個電池系統都需要進行熱管理（BTMS）。BTMS的主要是將電池保持在最佳溫度范圍內，并維持電池包的溫度均勻性。在此之后，還必須根據電池組的應用情況考慮重量、尺寸、可靠性和成本等其他因素。本文采用直接液冷法，覆蓋整個電池表面保證冷卻的均勻性，該方法消除了電池中的熱點/冷點進而提高了電池的性能。冷卻劑的選擇要求低粘度、高導熱系數和高比熱容。

1.2 冷卻劑

冷卻劑流量設置為所需的最小值，以保持入口和出口之間的總冷卻液溫差等于5℃。冷卻劑質量流量如下式所示：

Q表示每個單元產生的熱量，ρ和Cp分別是冷卻劑的密度和熱容。?T設為5℃，

表1 冷卻劑計算結果

表2 乙二醇水溶液物性參數

2.數值模型

采用商業(yè)計算流體動力學(CFD)軟件STAR-CCM+進行數值模擬。連續(xù)性、動量和能量的控制方程分別如下式所示：

為了模擬冷卻劑的流動，采用了標準k-Epsilon模型，具有魯棒性和穩(wěn)定性。除了守恒方程之外，還求解了雙輸運方程(PDEs)，該方程解釋了湍流能量的對流和擴散等效應。這兩個傳輸變量分別是湍動能k和湍耗散率ε。

納維-斯托克斯方程如下式所示：

k-ε模型如下式所示，其依賴于自由剪切運動，如具有相對較小的壓力梯度的流動。

采用標準K-Epsilon通用模型常數如圖所示：

湍流粘度如式所示：

其中，Prt表示湍流普朗特數，gi是引力矢量在第i個方向上的分量。對于標準模型和可實現模型，Prt的默認值是0.85。

熱膨脹系數β定義為：

Wall Y+方程，紊流模型k-ε僅限于大雷諾數和均勻的紊流，不適用于粘性效應占主導地位的壁面附近。Y+計算如式所示：

其中，Ur表示摩擦速度，（m/s）；yp表示第一層網格到壁面的距離；v表示動力粘度（m2/s）。電池冷卻劑的流動模型采用k-Epsilon湍流模型。

3.電池仿真

3.1 電池包設計

電池組由多個相同的電池，BMS電流收集器，電池支架，冷卻板，接線盒，和頂部和底部電池蓋組成。所述單元可以配置為串聯、并聯或兩者混合以輸送所需電壓和容量。仿真模型如圖2所示。

圖2 電池模型拆解圖

袋狀電池由薄鋁箔制成并包裹在聚合物層中；電池模塊由多個袋狀電池堆疊成外殼；熱冷卻泡沫墊沿外殼粘貼確保結構的穩(wěn)定和散熱；添加塑料框架保證標簽分離防止短路。電池管理系統由微處理器和塑料芯片組成；NVH泡沫被用作結構構件抑制來自包裝的噪聲和振動。電池冷卻系統在給定泵送功率下優(yōu)化冷卻流路，并按要求維持電池溫度。母線和其他載流元件通常由鋁制成，由于鋁具有優(yōu)良的導電性。ABS，丙烯酸和塑料用于連接器和各種組件的覆蓋物。表3解釋電池組的電池規(guī)格。

表3 電池參數

3.2  CFD流程

圖3介紹了含冷卻系統和無冷卻系統的電池熱仿真的工作流程。

圖3 流程圖

3.3 CFD設計

圖4建立了電池熱行為的幾何模型，電池組件及其材料性能如表4所示。

圖4 幾何模型

表4 電池材料參數

3.4 冷卻通道設計

冷卻通道的計算如下式所示：

其中，A表示冷卻通道的面積（m2）；M表示冷卻劑質量流量（kg/s）；V表示冷卻劑速度（m/s）；ρ表示冷卻劑密度（kg/m3）。

3.5 網格

采用STAR-CCM+網格劃分生成多面體網格，對于流體域，首先進行網格細化同時確定冷卻管壁上的邊界層。固體域的基礎尺寸為5mm，流體域的基礎尺寸為4mm?；趛+目標值1，體積增長率設置為1.2，邊界層厚度設置為0.5 mm。此外，進行網格無關性驗證，三種網格數量分別增加了25%，確定網格數量為1000萬個。體網格如圖5所示。

圖5 網格模型

3.6 物理連續(xù)體

物理連續(xù)體是一個由數值定律和模型控制的環(huán)境，這些定律和模型將應用于我們模型的一個或幾個領域?？梢允菤怏w、流體或固體，為每個固體和流體組件設置了物理。流體域采用隔離絕熱K-Epsilon湍流壁函數模型，外固體表面考慮對流。與環(huán)境換熱系數為10W/m2·K，固體部分的環(huán)境溫度為300K。系統的邊界條件為冷卻劑進口質量流量352kg/h和溫度24℃。收斂系數滿足質量流量、溫度和壓力等所有因素。表5描述了連續(xù)體設置。

表5 CFD物理連續(xù)體

1.DOE矩陣 -熱模擬

表6表示11種不同模擬的DOE矩陣，一種模擬是沒有冷卻系統，四種模擬是有液冷(2個進氣口和2個出口)，最后一類是有冷卻(1個進氣口和1個出口)。對電池系統進行了三種不同類別的模擬。

表6 DOE矩陣

3.7 無冷卻系統的電池模型

圖6為無冷卻系統的CAD模型。在不考慮冷卻劑流動的情況下進行了模擬，外罩對流速率為10w/m2·k，環(huán)境溫度為27℃。

圖6 無冷卻系統的CAD模型

沒有熱管理系統的電池系統的結果，圖7表示無冷卻系統的溫度分布；圖8是截面溫度分布；圖9是圖7為電池各部件的溫度曲線圖?？梢钥吹絻炔坎考臏囟戎党^了100℃；圖10是各部件的最大溫度圖。

圖7 溫度分布                                                        圖8 界面溫度分布

圖9 電池各部件的溫度曲線                   圖10 各部件的最大溫度

電池系統在高溫下的影響，如圖11所示。

圖11 無冷卻系統的溫度影響

3.8  帶冷卻系統的電池-第一類結構

圖12為第一類冷卻結構系統圖，有兩個冷卻入口和兩個冷卻出口。

圖12 第一類仿真結構

對冷卻劑和固體分別設置各自的熱特性和固體組分。電池使用的材料是鋁、鋁合金、熱塑性塑料、導熱潤滑脂、NVH泡沫和40%乙二醇溶液作為冷卻劑。對系統進行仿真分析結果如圖13所示。case2(管道1&2進口和管道3&4出口)的溫度均勻性優(yōu)于其他情況，case 2中各部件的最高溫度較低，主要是冷卻劑帶走了更多的熱量。case2的壓降為48.1mbar，這是由于通過冷卻系統的流道造成的。

圖13 溫度分布

3.9 帶冷卻系統的電池-第二類結構

圖14為第二類冷卻配置的仿真結構圖，包含一個進口一個出口。

圖14 第二類仿真結構圖

從圖中可以看出，case 8(1號管道入口和4號管道出口)的溫度均勻性較好。由于電池系統的冷卻劑傳遞了更多的能量，外殼8的電池部件溫度最低

圖15 溫度分布

圖16 冷卻劑溫度分布

3.10 總結

對不同電池配置進行了設計和三維仿真。沒有冷卻系統的電池系統導致其部件溫度較高(高于120℃)，從而導致系統故障。I型和II型冷卻系統配置在最佳電池溫度范圍內運行(25-55℃)。I型(多進出水口)比II型(單進出水口)配置更好、更高效。考慮到電池的產熱和溫度均勻性，從冷卻矩陣中選擇case2(1&2個入口，3&4個出口)作為最佳配置。case2的壓降為48.1mbar，電池部件中最低溫度(34.55℃)。

4. 結果和討論

為了實現電動汽車電池包的冷卻性能和成本效益，熱管理和冷卻系統類型的選擇是非常重要的。電池系統的冷卻涉及到冷卻方式、冷卻系統的設計、電池冷卻系統的進、出口等幾個因素。在本文中，電池熱管理系統選擇了液冷方式。沒有選擇風冷方式，因為風冷系統的傳熱系數比液冷要低，且空氣的熱容量小，很難保持包內的溫度均勻。選擇40/60比例的水和乙二醇混合物用于間接冷卻系統，因為它在車輛應用中具有較低的凍結溫度。水/乙二醇具有較高的熱容量，因此采用水/乙二醇作為傳熱流體可以大大減小系統內部冷卻液的溫度變化，同時也可以達到溫度均勻性。

參考文獻：

Rajadurai, D.S., et al., Thermal Management of Battery Cooling System. 2021, SAE International.

本期內容相關推送文章匯總：

1. 應用于電動汽車和其他冷卻系統便攜式熱電對流裝置的設計| AutoAero202224期.

2. 電動汽車電池熱管理系統的仿真與控制|202237期.

3. 通用電動汽車熱管理系統|AutoAero202231期.