纯电动汽车动力电池组液冷系统优化及冷却性能研究
摘要：
散热问题是影响电动汽车电池寿命以及行车安全性的重要因素。针对目前电动汽车动力电池导热系数较低、液冷系统结构不合理等问题，对18650型电池的散热问题进行研究。分析了电池放电过程中的生热特性，建立电池组模型，对其放电过程进行热仿真。根据仿真结果中存在的问题，对冷却系统结构进行优化设计。同时，为研究冷却液初始温度对液冷系统冷却性能的影响，分析了不同冷却液初始温度下电池组温度变化情况。仿真结果表明：优化后的液冷系统结构可有效提高电池组的导热效率，在放电开始后272s内使电池组内最大温度差达到标准，传热率提高了47.7%。在20~30℃范围内，随着冷却液温度的升高，放电终止时电池组内的最大温度差逐渐降低，达到标准温差时间有效缩短，在采用逐步降低冷却液温度的方法后可进一步提升液冷系统的散热能力。
随着近年来新能源汽车行业的不断发展，已有越来越多的纯电动汽车走进人们的生活，但由于纯电动汽车动力电池在放电过程中会产生热量，若冷却系统不能及时将电池所产生的热量吸收，电池的温度便会急剧升高，而电池长时间处于高温的环境下工作会使其寿命降低，甚至产生电池自燃、爆炸等事件。合理的电池组冷却系统可以让电池在适宜的温度范围内进行放电，并保证放电过程中电池组内各电池单体间的温差在合理范围内，以保证在长时间工作后仍可保持良好的工作性能【1-3】，因此对电池冷却系统的研究是目前研究人员关注的重点。
目前较为主流的电池组冷却方式有风冷、液冷以及相变冷却等，其中液冷技术因其良好的冷却效果和较为成熟的控制方法被广泛应用，也是各国学者关注的焦点。Kim等【4】研究对比空气、油、水等冷却介质对电池的散热能力，结果表明液体散热能力明显优于气体散热。李吴等【5】以换热量最大为目标进行液冷通道分布优化设计，构建拓扑优化设计数学模型，对比了各进出口布置的拓扑优化通道与传统直通道的散热性能。李等【6】建立了一种新型的泡沫铝/石蜡相变材料与液冷复合式三维热仿真模型，在仿真研究的基础上对电池组散热系统进行改进。冯能莲等【7】开发了适用于圆柱状电池的新型蜂巢式液体冷却模块，提出增设导流板的液体散热改进结构，并定量分析了电池模块在不同冷却液温度、流速条件下的三维温度分布情况。
可见，对于采用液冷方式的动力电池冷却系统结构以及热管理等方面的研究已取得了一定的进展，但是将电池组放电过程中的最大温差变化作为衡量冷却效能指标的文献还较少。基于此，针对电池组放电全过程进行研究，对冷却系统进行改进设计，分析冷却液温度对冷却性能的影响，以提高电池的效能和使用寿命。
1 锂离子电池生热原理及参数
电池在放电过程中，内部会发生一系列的氧化还原反应，反应的过程伴随着热量的产生，电池产生的总热量可表示为
副反应热Qs，为主反应热的一部分，其热量为电池中电解液被分解时所产生，该反应所产生的热量非常少，通常忽略不计【8】。
在计算电池放电过程中所产生的热量时，需对上述反应热建立合理的数学模型并进行计算。
1.2 电池等效热物性参数
选用的电池为18650圆柱形锂离子电池，根据相关标准选取电池等效热物性参数，具体参数如表1所示。
2 电池组建模及仿真分析
为使电池的热量可以较快地传递至冷却液中，本文所选的液冷系统为底部散热，即水冷板与电池底部相接触。在相同列内相邻电池间的中心距为19.3mm，在相同行内相邻电池间的中心距为22.5mm；水冷板尺寸为260mm×120mm×10 mm，采用直径为6 mm的圆柱形水道，布置形式为蛇形布置，且每条水道与电池列方向水平并分布于电池正下方，电池组的结构如图1所示。
为实现整车轻量化，水冷板的材质选择密度较小且导热系数较好的铝制材料，其热物性参数如表2所示。
在冷却液的选择方面，选择冷却性能较好且在不同温度下性质较为稳定的50%乙二醇水溶液作为该系统的冷却液【11-12】，其热物性参数如表3 所示。
由于外壳与系统间几乎无热量交换，为节约计算成本在计算时将电池组外壳忽略，并将上述模型导入仿真软件STAR CCM＋中并进行六面体网格划分，网格总数为3432452，电池组的网格模型如图2所示。
2.2 仿真分析
为保证仿真的效率及准确性，按以下原则对电池模型进行简化和假设：
1）电池密度、比热容、导热系数恒定，不受温度变化影响；
2）电池产生的热量主要被冷却液所吸收，忽略与壳体之间的热交换；
3）冷却液为理想液体，其热物性参数不受温度等因素影响。
在边界条件进行设定方面，为验证该冷却系统的冷却效果，模拟夏季高温环境，设定系统的初始温度为40℃，模拟电池大功率放电的极限工况，取电池以5C放电倍率进行仿真。取电池的发热功率为26219.88 W/m³，冷却液的流速为0.5m/s，初始温度为40℃，冷却液入口处温度为25℃。
选择仿真时液体流动模型，需依据冷却液在水冷板中的流动状态即雷诺方程确定【13】
式中：Re为雷诺数；ρ为冷却液密度；v为冷却液流速；D为冷却液入口处截面直径；μ为冷却液动力黏度。
根据上述边界条件进行仿真，所得电池组放电终止时电池表面温度分布情况如图3所示。放电过程中电池组内最高温度与最低温度变化曲线如图4所示。
图4中，放电终止时的最高温度为29.746℃，位于电池组的上方，由于电池是不良导热介质，且该处远离水冷板，所以热量的传递较慢，故该处温度最高；最低温度为25.932℃，位于电池与水冷板接触面且靠近冷却液入口处，该处冷却液温度最低，具有较强的换热能力，故该处热量交换的效果最好。比较放电终止时电池组内最高温度与最低温度的温度差值，最大温度差为3.814℃，满足锂离子电池最佳工作温度差小于5℃的要求【14-16】。但反观电池放电过程中电池组内温度变化情况可知，在放电开始后520s时电池组内最大温差缩小至5℃之内，故该种结构仍需进一步优化。
3 液冷系统结构优化
从电池组温度分布情况看，电池在靠近水冷板一侧的温度明显高于远离水冷板一侧的温度，造成该种结果的原因为电池是一种不良的导热介质，其导热系数较低，所以远离水冷板一端的热量无法及时传递到冷却液中而被自身吸收，导致电池温度升高。为进一步提高电池在放电工作时的温度一致性，本文对冷却系统结构进行优化设计，提出一种新的冷却系统结构，优化设计的具体方法是在电池顶部布置微型水冷管路，以解决电池组在散热过程中电池两端温差较大问题。管路进出水口的直径为2mm，铝制薄衬套厚度为1.5 mm，内部为宽14.3mm、厚2mm的扁状管路结构，每个衬套的体积约为3.734×10~5m³，质量约为0.101kg，故对整车轻量化影响较小。为解决结构支路产生的冷却液流量变化问题，在优化后的结构中各个冷却液入口处均布置有小型节流阀，以控制各个入口处冷却液流速。优化后液冷系统布局如图5所示。
保持原始边界条件不变，将优化后的液冷系统及电池组导入仿真软件中进行网格划分并进行仿真，结果如图6～7所示。
在放电终止时电池组的最高温度为26.821 ℃，较优化前降低2.925℃；最低温度为25.454 ℃，较优化前降低0.478℃；其最大温度差缩小至仅为1.367℃，电池组内的最大温差在放电开始272s后降低至5℃以下，较优化前提前了248s，极大地提高了电池模组的温度一致性，可有效解决电池组上下两端温度差过高的问题。
为进一步说明优化的有效性，将优化前后电池组内最大温差进行对比，如图8所示。可见，优化后的液冷系统的冷却能力较优化前有一定的提高，在放电过程中对于电池组内温度具有更好的控制效果，平均温差下降38%，达到标准温差时刻提前了47.7%。
4 冷却液初始温度对系统冷却性能的影响
由图4及图7可知，在电池放电初始阶段电池组内最低温度的变化速率明显高于最高温度的变化速率，且电池组的最低温度稳定在冷却液入口处温度25℃左右，由此可见电池组的最低温度与冷却液入口处温度密切相关，若想进一步提高液冷系统的冷却性能需采用合理的冷却液温度对电池组进行散热。
为选择合理的温度作为该冷却系统中冷却液入口处的初始温度，在保证其他条件不变的情况下，取不同冷却液初始温度对系统进行仿真分析，并观察和记录放电终止时电池组内的最高温度、最低温度、最大温度差以及电池组内最大温度差小于5℃的起始时间。选择冷却液入口处的初始温度范围为20~30℃，区间内以2℃为取值间隔【14】，仿真结果如表4所示。
可见，随着冷却液初始温度的升高，电池组放电过程中组内最大温差达到标准的时间逐渐缩短，且放电终止时的最大温差越低，故冷却液初始温度的提高对于电池组在放电过程中温度一致性有一定的提升；在放电终止时电池组内最高温度方面，随着冷却液初始温度的升高，放电终止时的最高温度呈上升趋势，若电池长期处于较高的温度环境下工作，对电池的使用寿命会有较大的影响【17-18】。
为了保证电池组在放电过程中最大温差尽可能快地降低至5℃以下，且该过程中电池组温度尽可能低，故本文采用逐渐降低冷却液温度的方法以实现上述2种预期。设定冷却液初始温度为30℃，对电池组进行冷却，当电池组内最高温度降低至34℃时将冷却液温度降低至29℃，随后每当电池组最高温度降低1℃，相应冷却液温度降低1℃（当冷却液温度降低至25℃时停止对冷却液温度的降低并保持该温度），直至放电结束。对该方案进行仿真分析，结果如图9所示。
图9中，放电终止时电池组的最高温度为27.815℃，最低温度为25.840℃，最大温度差为1.965℃，且在放电开始96s后电池组内最大温度差保持在5℃以下，达到预期效果。
5 结论
对纯电动汽车动力电池组液冷系统性能进行讨论，针对存在的问题对其系统结构进行优化设计，并采用不同冷却液初始温度分析最佳的冷却方案。
1）与传统液冷系统结构相比，优化后的系统可有效控制电池组放电过程中温度变化，电池组内最高温度降低至26.821℃，且最大温度差仅1.367℃，平均温差下降38%，达到标准温差时刻提前了47.7%。
2）随着冷却液的变化，冷却系统的冷却能力也有所变化。在20～30℃时，随着冷却液温度的升高，放电终止时电池组内的最大温度差降低，最大温差达到标准要求所需时间缩短，在冷却液初始温度为30℃时所需时间最少，但在该种冷却液温度下，放电终止时的电池组内最高温度最高。
3）本研究所采用的逐步降低冷却液入口处初始温度方案可以有效地控制放电过程中电池组内温度变化，综合指标达到预期效果。初始温度较高的冷却液可以有效地使电池组在放电过程中最大温度尽快达到标准值，但对于放电终止时电池组内最高温度无法进行有效的限制，实际应用中应结合能量管理问题综合考虑。
参考文献：
