彭澤源,劉澤宇,金積德,2
(1.武漢理工大學汽車工程學院,湖北 武漢 430070;2.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430070)
電池的溫度過高或過低都會對電池的性能產生負面影響,可能導致能量損失、充電速度變慢甚至損壞電池。通過有效的熱管理系統可以將電池的溫度控制在適宜范圍內、提高電池的工作效率和充電速度、延長電池的壽命,并且可以減少火災和其他安全風險的發生。因此,電動汽車的電池熱管理是確保電動汽車安全可靠運行的關鍵因素。
電池熱管理系統常用的散熱方法有風冷和液冷,搭配相變材料、均熱板、熱管等[1]。目前來看,液冷是冷卻電動汽車電池的主力軍。以水冷為例,一般情況下,水的導熱系數是空氣的幾十倍,比熱容是空氣的四倍左右,具有更大的熱容量,即使水在較低的流速下也能達到較好的冷卻效果[2]。相應的相變材料、均熱板、熱管等與液冷系統進行耦合,也可以達到更好的散熱效果。例如,2018年,Smith等人[3]將液冷和熱管耦合使用,建立了相應的電池熱管理系統,同時通過調節輸入參數,將電池的溫度保持在55 ℃之下;2022年,Qaderi和Veysi等人[4]在用納米封裝相變材料漿料對18650鋰離子進行電池熱管理系統的建模和優化中,使用相變儲熱材料,將電池單元、冷卻板和熱管進行夾層布置,并使用神經網絡算法以及遺傳算法對熱管理模型進行優化,為了在較大的電流下,儲熱材料未達到飽和時,電池單元的溫度能穩定在45 ℃以下。然而文獻[4]并沒有論證長時間充放電的情況,只是將對應的充放電情況與一個溫度值對應,關于儲熱材料的散熱并沒有過多介紹。
在均熱板設計方面,李維平等人[5]為了提高電池熱管理液冷系統的均溫性,研究了一種將鋁槽式均熱板和直流式液冷板相結合的復合液冷系統,加熱表面的溫差可以控制在2.72 K以內。李隆鍵等人[6]根據間壁式傳熱原理,設計了采用液冷側非線性強化傳熱方式的均溫液冷板結構,結果表明,這種均溫液冷板能有效實現動力電池模組的均溫性要求。
關于當前電池散熱的研究大多停留在對18650等圓柱電池以及方形電池的研究上,對于棱柱電池的研究少之又少,且未專門針對棱柱電池設計適配的均熱板裝置,本文首先基于新型六棱柱電池模組的形式進行了電化學建模,并根據上述文獻,設計了一種適配于棱柱電池的蛋托均熱板結構。與傳統的風冷和液冷耦合的散熱結構進行對比,這種蛋托均熱板結構可以使電池產生的熱量較容易地從液冷板散出,增強了系統的整體散熱效果,此外,在均熱板內嵌套的熱管結構進一步優化了系統的熱管理性能,有利于增強冷卻液與電池模組的熱交換率,提高散熱效果。本研究提出了基于棱柱電池的均熱板耦合液冷系統的設計,提高了電動汽車的安全性,對電池熱管理系統的發展具有一定價值。
三元鋰電池相對于其他類型的鋰離子電池具有以下兩點優勢。
(1)具有較高的能量密度,這使得它能夠提供更長的續航里程或工作時間。
(2)具有良好的循環壽命,能夠經受更多次數的充電與放電操作,從而保持較長的使用壽命。
三元鋰電池的高能量密度提供了長時間的續航能力,而其良好的循環壽命確保了長期穩定的性能。然而,這些特性也給電池的熱管理帶來了挑戰。在充放電過程中,三元鋰電池會產生熱量,如果不妥善處理,過熱可能導致電池性能下降,甚至引發安全問題,如短路或漏電。尤其是在遭受劇烈碰撞或過度充電的情況下,電池的熱穩定性對電池的安全性至關重要。
本文為了解決三元鋰電池的散熱問題,采用了兩種冷卻方案:一是水冷加鋁制均熱板形式,二是水冷加被動風冷形式。在模型設計中,由于電池模組上部的布線結構較為復雜,為了簡化處理,僅保留了電池單元、正極集流器、負極集流器以及電池固定裝置等必要元件。
2.1 液冷裝置與箱體的介紹
液冷板加被動風冷的冷卻系統如圖1所示,主要冷卻方法是主動液冷與車輛運行產生的被動風冷耦合制冷。流體通過冷卻液進口進入液冷板,經過液冷板流道,帶走熱量后從冷卻液出口流出,而空氣則通過進風口進入冷卻系統箱體內,在通過50%開孔率的濾網后對內部電池單元進行冷卻。
圖1 液冷板加被動風冷的冷卻系統Fig.1 Cooling system with liquid cooled plate and passive air cooling
液冷板加鋁制均熱板的冷卻系統如圖2所示,主要冷卻手段為主動液冷與均熱板輔助制冷。流體通過冷卻液進口進入液冷板流道中,并帶走傳導到液冷板的熱量,而電池單元的整體產熱則通過自身電池單元與外界均熱板的導熱將熱量傳遞到液冷板的上端面,進而通過液冷系統將熱量帶走。該模型主要由液冷板、固定裝置、均熱板與電池單元組成。
圖2 液冷板加鋁制均熱板的冷卻系統Fig.2 Cooling system with liquid cooled plate and aluminum soaking plate
2.2 電池模組細化建模
新型棱柱電池由正極、負極、電解質、正極集流器和負極集流器構成,鋰離子電池產生的熱量主要由兩部分組成,一是電池內阻產生的焦耳熱,二是由電池內部的電化學過程產生的熱,本文電池單元的生熱速率通過Bernardi[7]的電池生熱模型理論計算獲得,其所建立的電池發熱模型一般可以概括為式(1),棱柱電池單元建模如圖3所示。
(1)
圖3 棱柱電池單元建模Fig.3 Modeling of prismatic cell
式中:I為電流,A;UOCV為開路電壓,V;U為工作電壓,V;Tb為電池的熱力學溫標,K。
電池單元中各個元件的材料選用如表1所示。
表1 電池材料參數Table 1 Parameters of battery material
表中,LMO是鋰錳氧化物,作為正極材料。
LixC6-PCM由碳負極材料(通常是石墨烯或類似碳材料)和多孔碳材料(porous carbon materials,PCM)組成的化合物,作為負極材料。LiPF6是一種常用的鋰離子電池電解質[8],可以在有機溶劑中溶解形成電解液,此電解液中的溶劑EC和EMC的質量比為3∶7,其中EC是環氧乙烷,EMC是甲酰乙酸甲酯。Al主要用于構成棱柱電池單元的外殼[9]。尼龍材料包覆于鋁元件表面,起到防銹和絕緣的目的。
圖4為以液冷與被動風冷耦合的電池模組簡化模型,箱體中間的填充物質為空氣[10],左端為進口,右端為出口。液冷流道設計如圖5所示。模型內關鍵元件的詳細參數如表2～4所示。
表2 水冷板與箱體參數Table 2 Parameters of water cooled board and box
表3 箱體與液冷關鍵參數Table 3 Key parameters of box and liquid cooling
表4 冷卻液物性參數Table 4 Physical parameters of coolant
圖4 電池模組圖Fig.4 Battery module diagram
圖5 流道設計圖Fig.5 Flow channel design diagram
動量方程如式(2)所示。
(2)
式中:ρ為密度,kg/m3;μ為動力黏度,Pa·s;,u、v和w分別代表流體沿x軸,y軸和z軸的速度分量,m/s;p為壓力,Pa。
能量方程如式(3)和式(4)所示。
(3)
(4)
式中:t為流體的溫度,℃;λ為流體的導熱系數,W/(m·℃);cp為流體的比熱,J/(kg·℃);ts為固體溫度,℃;λs為固體導熱系數,W/(m·℃);φv為體積熱源項(傳入的電池熱),W/m3。
本文選取冷卻液流量[11]、水冷板壓力損失、電池單元平均溫度、最高溫度與標準差來綜合評價冷卻裝置的性能。
水冷板壓力損失如式(5)所示。
ΔP=Pin-Pout
(5)
式中:Pin和Pout分別為液冷箱體進液口與出液口的壓強,Pa。
電池單元平均溫度為箱體內部各個電池單元溫度的平均值,用來描述冷卻系統冷卻能力的大小,電池單元平均溫度越小,說明箱體冷卻效果越好。
(6)
式中:Tave為電池單元的平均溫度,℃;N為箱體內部的電池單元個數;Ti為箱體內單個電池的溫度,℃。
同時,引入了標準差來描述箱體內部電池單元的溫度均勻性。標準差S越小,各電池單元之間的溫度差異越小[12],說明服務器內部的流場分布更均勻。
(7)
本文選用Ansys?的Fluent模擬軟件對冷卻系統的冷卻性能進行模擬驗證,首先是對液冷板與被動風冷耦合(AW)的模擬驗證[13];然后是對液冷板與均熱板耦合(WVC)散熱的模擬驗證;最終對比兩者的仿真結果。
3.1 液冷板與被動風冷耦合散熱分析
在8.48 L/min的體積流量下得出了電池單元的最高溫度與電池單元的溫度標準差隨著放電倍率變化而變化的曲線,如圖6所示。可以觀察到,隨著放電倍率的增加,電池單元的最高溫度和溫差也會增加。隨著電池單元放電倍率的增加,電池的功率密度也增加[14],從而導致發熱量呈現二次函數式的增長。因此,放電倍率的增加會加大溫差和最高溫度的變化率。在放電倍率為2.5 C時,最高溫度仍然保持在50 ℃以下,并沒有發生局部超溫的現象。
圖6 AW不同放電倍率下溫度變化Fig.6 Temperature variation diagram under different discharge rates of AW
3.2 液冷板與均熱板耦合散熱分析
為了與液冷板與被動風冷耦合散熱系統進行對比,仍然選擇8.48 L/min的體積流量,并在該流量下得到了不同放電倍率下溫度的變化曲線,如圖7所示。可以看到,隨著放電倍率的增加,電池單元的最高溫度也相應增加[15];最高溫度與溫差的變化率整體不大;放電倍率為2.5 C時,最高溫度仍穩定在35 ℃以下,沒有發生超溫現象;相較于AW,WVC的最高溫度和溫差均有明顯降低。對于電動汽車的鋰離子電池,最佳放電溫度范圍通常在20～35 ℃,WVC系統在不同放電倍率工況下的最高溫度均保持在這個范圍內[16],因此電池模組可以實現較高的能量輸出和較長的循環壽命。
圖7 WVC不同放電倍率下溫度變化Fig.7 Temperature variation diagram of WVC under different discharge rates
3.3 散熱模型的性能對比與流量優化
經過對上述兩種熱管理系統進行仿真模擬后,發現液冷板與均熱板耦合的熱管理系統在散熱效率方面明顯優于液冷板與被動風冷耦合的系統。此優勢體現在多個方面,包括最高溫度和平均溫度更接近動力電池的最佳工作溫度區間,動力電池的溫度均勻性更加適宜,且電池模組內部的最大溫差有明顯縮小。接下來,對液冷板與均熱板耦合的電池熱管理系統將進行流量的優化設計,其結果如圖8所示,隨著冷卻液流速的增大,溫度也隨之變化,但變化并不明顯。最終選用流速為0.05 m/s,即流量為2.125 L/min(由流量入口截面積7.084×10-4m2換算)作為本文的優化后模型流量,既保證了動力電池溫度在35 ℃以下,也減小了冷卻液供給導致的能源消耗。
圖8 不同流速下溫度、壓差變化Fig.8 Temperature and pressure difference variation diagram under different flow velocities
4.1 結論
(1)為了使電池單元的溫度保持在35 ℃[6]以下,設計了兩種電池模組熱管理系統,分別是液冷板與被動風冷耦合的電池熱管理系統、液冷板與均熱板耦合的電池熱管理系統。
(2)通過使用工程軟件Ansys?的Fluent模塊對兩種熱管理系統進行模擬,并在相同流量下進行對比,發現液冷板耦合均熱板的熱管理系統具有更高的冷卻效率。盡管兩者具有相同的流量,但在2.5 C高放電倍率下,液冷板耦合均熱板的系統最高溫度卻降低了37.91%,溫差也僅為液冷板耦合被動風冷系統的51.5%。
(3)在上述液冷板耦合板的基礎上,對液冷板冷卻液的流量進行了優化,最終在2.125 L/min的流量下,成功將電池的最高溫度控制在35 ℃以下。不同模擬組別的電池模組最高溫度結果如表5所示。
表5 不同模擬組別的電池模組最高溫度結果Table 5 Maximum temperature results of battery modules for different simulation groups
4.2 展望
本文的工作內容是基于理論并且考慮了實際應用的仿真驗證。
(1)在電動汽車急速發展的背景下,動力電池的容量迅速增加。隨著電動汽車的普及,動力電池的規模和體積也在快速增加[17],因此動力電池的熱管理問題備受關注。本文提出的熱管理模型具有廣闊的應用前景。
(2)本文的熱管理系統采用了主動和被動的冷卻方式,對不同的耦合被動冷卻方式進行了對比和優化。在盡量減少能量損耗的前提下,設計了滿足電池模組最佳運行溫度的電池熱管理系統[18]。
(3)在電動汽車的設計和優化過程中,確保熱管理系統的高效性至關重要,以保持電動汽車在正常運行條件下的溫度穩定,同時不影響其設計的最高行駛速度和性能。因此,本文重點優化了風冷流量,在保持適當散熱效果的前提下,最大限度地降低功耗和能耗,以提高整車的能源利用效率。
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