摘要
快速充电和超快速充电都会对电池组产生巨大的热应力，并且可能导致电池故障，或缩短其使用寿命。为解决这一问题，提出了一种新型高效的电池热系统。该系统的独创性在于使用了极为先进的流体，该流体通过与电化学电池单元直接接触，实现优异的热性能。为测量该系统在电池单元层面上的冷却性能，然后对其效率进行论证，设计了一种台架试验。数值模拟表明， 结果与实验数据非常吻合。依据这些结果，可以在电池组层面上对模拟按比例放大。针对 60 kWh 电池组，模拟了一种超快速充电场景（350 kW），其中温度不均匀性或最高温度似乎已得到控制。最后，为评估该电池热管理系统的性能，通过综合考虑该系统所需的泵（重量和功耗），以及热交换器的类型和尺寸以及流体使用寿命，制定了一种整体方法。最终，可以据此获得该系统的全貌（性能、重量、功耗），从而与当前解决方案进行轻松比较。
前言
近年来，为了响应减少全球二氧化碳排放的趋势，交通电气化已发展成为一种重要趋势[1]。实际上，为了实现乘用车、轻型车以及重型卡车和公共汽车的预期二氧化碳机队目标，需要提高电气化的增长率，而且已经在所有市场中，不同程度地观察到了车辆电气化。这种电气化只能通过高性能电池来实现。对可接受的电池性能的关键影响包括：更长的使用寿命，以降低总体拥有成本（TOC）；快速充电能力；以及在极端外部温度下良好运行的能力。因此，电池热管理系统已成为电动汽车发展的一个重要方面[2、3]。众所周知，电池的使用寿命与其热历史直接相关[4、5]。即使短时间处于高温下，都有可能产生影响。因此，将电池组维持在恒定温度下，对其健康而言至关重要。此外，电池内一旦出现任何温度不均匀，都可能对其造成损坏。电池组中的热量可能来自外部，但最重要的是，会在使用过程中 特别是在快速充电时产生。实际上，作为电气部件，电池具有内部电阻，而焦耳效应会导致产生热量。在考虑快速充电或运动使用时，如果电池热管理系统设计不当，就可能会流过高达数百安培的大电流，导致电池组内的热量和温度出现极端不均匀。这个问题不仅仅是理论问题，而且在过去几年中，已经报道了与电池热管理系统相关的几个问题。例如，在社交媒体中传播的“RapidGate”，由于电池快速老化，在多次使用该方案之后，无法对汽车进行快速充电。因此，电池热管理是验收任何电池电动车辆（BEV）的关键问题。即使传统系统可满足某些用途的需要，下一代 BEV 也需要创新系统。下一部分将介绍当前解决方案，然后介绍我们的创新系统。本文旨在为读者提供充分信息，以便将这一创新解决方案与现有解决方案进行比较。当前电池热管理解决方案概述
在详细了解当前电池热管理系统之前，值得思考的是，在快速充电期间热量是如何产生的？例如，50 kWh 的电池组包含 240 个电池单元，其容量为 70 Ah（3.6 V），表面积为 0.120 m2， 内部电阻为 1 mΩ。该电池组预期使用 150 kW 充电器充电。这对应于当前未实现的严峻的 3C 充电场景。在这种场景下，电池单元产生的热量可以估计为电池单元的内部电阻与快速充电期间电池单元中电流的平方的乘积。因此，该电流等于电池单元容量除以充电时间因此，每个电池单元产生了 44 W 的热量（0.037 W/cm2），在快速充电期间共产生 10 kW 的热量。这表示有大量热量从电池单元传递到外部。该数字与不同热管理供应商发布的数字一致， 证实了热管理专业人员必须应对的真正挑战。
如前言中所述，热管理系统不仅应能够提取大量热量，还必须能够避免在电池中产生任何热点（温度不均匀性）。表 1 列出了当前现有的解决方案。基本而言，这些解决方案的工作原理都是相同的[6]。采用具有特定特性的专用流体将热量从电池单元传输到外部。根据流体特性，进行流量管控，以确保电池单元中温度均匀。流体特性还将推动热回路中其他部件（散热器、冷却器、泵等）的设计，因此，这些特性看起来对整个电池热管理系统而言至关重要。表1：当前电池热管理系统概述
在列出的前两个系统（被动式和风扇式）中，空气是提取热量的媒介。这种流体的主要缺点在于密度差，导致传热系数低。第一个系统显然是最简单的，因为其中不需要外部操作。但仅仅因为外部气候条件，就会导致在电池上产生较高的热应力。在将来，汽车将不存在被动冷却。在第二种情况下，利用风扇使空气从电池组提取热量排向外部。良好的热管理意味着空气必须以高速流动，这会增大风扇的功耗。对于极端热量（〜快速充电）或者在炎热气候下，该解决方案则无法满足要求。第三种解决方案采用制冷剂流体。该流体在电池组中蒸发，借助蒸发潜热而提取热量。这会形成高度热传递。为避免发生任何泄露，需要在特定通道中带走热量，这继而造成一定的重量和成本损失。此外，还需要进行流体压缩，导致功耗较高。最后，第四个热管理系统采用水/乙二醇混合物作为冷却液[7]。水/乙二醇混合物具有出色的热性能，非常适于热管理。特别是，可用于提取大量热量，诸如在内燃机中产生的热量。为避免发生任何短路， 需要使用流体通道，但这可能要比用于制冷剂的通道更加简单，例如，可以使用冷板。然而， 这种配置会导致温度严重不均匀，致使一些原始设备制造商（OEM）在电池单元之间加装翅片，造成设备昂贵且笨重。电池组也变得越来越大，这些冷板的生产成本也变得更高。而且， 为了确保冷板和电池单元之间保持良好的热接触，还必须使用导热垫，这就更可能导致设备昂贵且笨重。所有这些热管理系统都有其优缺点，但需要开发出一种更好的方案，以便在确保电池寿命的同时实现快速充电。本文基于使用一种具有增强的介电和热性能的专用流体，提出了一种创新的热管理系统，如下文所述。创新电池热管理系统
1. 系统描述
如前所述，这种新型热管理系统的核心是流体。这种创新流体具有一种核心特性，即，绝缘性。这种绝缘的持续时间比电池使用寿命更长，其主要优势在于允许电化学电池单元和流体之间直 接接触。由于接触面积大，将获得较高的传热系数，如下文所示。这种流体专为此应用而开发。对电池热管理系统的全局方法进行深入分析后，改进了这种流体的多个特性。主要研究并改进了以下 5 个参数：电气特性：
流体的绝缘特性至关重要，在此不能有任何妥协。
无论气候如何，应特别注意这些特性随时间的稳定性。
热性能：该流体的主要用途是提取热量，因此已为此对其导热率、热容量和密度进行了优化。
对整个系统的适用性：可以调整流体特性来适应整个系统，例如，针对泵送降低粘度，或针对热交换器调整特性。
耐久性：为了避免将流体排出，将流体的化学结构设计成超出电池的使用寿命。此外，还对其与各种材料的兼容性进行了评估。
安全性：在电池单元出现热逃逸的情况下，流体不得造成任何意外，并且在这种严峻情况下还可能有所助益。这一特性在此不再详述。
本文的目的并非介绍流体的所有特性及其优化方式，而是对在相应热管理系统中的整体性能进行说明。为此，开发了台架测试，进行了模拟，并收集了关于整个系统的信息。2.台架测试和模拟
众所周知，使用虚拟电池单元可以很好地模拟电化学电池单元的热行为。因此建立了台架测试， 如图 1 的示意图所示。
图1：电池热台架测试方案
箱内热量由 4 个电阻器（RH50 型，Vishay）产生。每个电阻器位于一面的中心，并使用热凝胶（Raytech）进行封装，以便实现电池单元内部温度均匀。使用这种“电池单元”还具有以下主要优点：可以轻松安全地模拟超快速充电场景。试验台由两部分组装而成，即，“箱体”和“电池单元”，流体通过泵以所需流速（0.2-2 L/min 不等）在这两部分之间循环。电化电池单元的高度为 115 mm，其截面外部尺寸为 55.5 mm×64 mm。电化电池单元和箱体之间的间隙为 4 mm，从而使电化电池单元附近的流体速度约为 3 mm/s 至 30 mm/s。离开电池单元后，流体流回至约 5 升的储存器中，流体温度调节在 20 摄氏度左右。可以对功率耗散进行控制， 以产生 0.02 W/cm2-0.1 W/cm2 的热通量。值得注意的是，这些值均高于在车辆电池中获取的值，但本实验的目的只是为了轻松区分我们的流体产品。使用位于表面和电池内部的 Pt100 包覆成型温度探针（Correge），对试验台中的温度进行测量。图 2a 示出了热通量为 0.23 W/cm2（大于车辆电池组中所产生的电流热通量）时，流体流速对冷却性能的影响。首先，该试验表明被动冷却（蓝线）并非良策，因为电池单元在 10 分钟以内即达到 40℃以上的温度。相反，即使在低流速（0.33 L/min）下，电池单元内的温度也保持在 25℃以下（精度约为 1℃）。图 2b 示出了在给定流速（0.33 L/min）下，我们的流体在不同热通量场景下的冷却性能。即使在 0.4 W/cm2 的流速下，温度仍然得到良好控制，温度增加低于10℃。
图2：电池热台架试验结果。a）H = 0.23 W/cm2。不同流体流速下电池单元随时间的表面温度。b）Q = 0.33 L/min。不同热通量下电池单元随时间的表面温度。
上述结果证实了该解决方案在电池单元层面上的性能。然而，为了充分了解该解决方案的优势， 有必要将该台架测试扩大到电池组层面。一种解决方案可能需要构建更大的台架试验，但优选 解决方案是尝试模拟台架，以便在电池组层面扩大模拟。
数值模型已在商业软件包 COMSOL Multiphysics®中实施，旨在重现试验台在不同工作条件（耗散功率和流速）下的热行为。之前已经报道了模拟的细节，并在其他地方进行了说明[8]。模拟和实验之间的比较如图 3 所示。
图3：电池热台架试验温度与时间曲线图。点表示实验结果，线表示数值模拟。蓝色对应于电池单元内的探针，红色表示电池单元的表面温度。
可以看出，模拟和实验之间高度吻合。重要的是，没有将外部参数添加到拟合参数中，即，台架行为已得到正确理解。特别是，这种高度吻合归因于该模拟可以很好地捕获液体直接冷却这一事实。液流为层流式（与基于空气的热管理相反），而且接触表面得到良好限定（与间接接触相反）。
这种吻合允许我们在电池组层面扩大模拟。具体而言，所研究的电池组由连接在一起的 2 组 96个电池单元组成，如图 4 所示。
图4：模拟电池组。流速、电池单元之间的间隙或流体覆盖面积为模拟参数。
电池组中每个电池单元的尺寸为 261 mm×216 mm×7.91 mm，容量为 57 Ah，额定电压为 3.65V。电池单元的欧姆电阻固定为 0.05 Ω 典型值。因此，每个电池单元的欧姆电阻为 880 μΩ。该数值模型旨在表征不同快速充电场景下，电池单元的直接油冷却的整体性能。该模型因此包括单个平行六面体域，我们的流体在这个域中以和上述电池单元的整个表面直接接触的方式流动。热通量处于每个电池单元中心的平面内。该模拟的功能性足以进行参数研究，从而可以针对不同配置对每种流体特性的影响进行评估，如表 2 所示。对于该系统，可以改变流体流速和电池单元（流体通道）之间的间隙。而且，电池单元表面可以完全浸没，或者流体只能与表面的某一部分接触。流体流位于电池单元中间。系统
| 流体
|
流速
| 粘度
|
电池单元之间间隙
| 密度
|
电池单元与流体接触百分比
| 导热率
|
| 热容量
|
表2：数值参数研究。第一列为系统参数，第二列对应于流体特征。
在假设的快速充电场景中，电池组从 0％充电至 100％完全充满，并在该场景结束时给出结果。与电池永远无法完全耗尽且当接近完全充满时充电率降低的真实情况相比，该场景显然更加严 峻。根据结果得到两个主要标准：第一个是从电池单元看到的温度峰值，第二个是电池单元内 部的温度差异（温度不均匀性）。这两个参数将影响电池单元的健康状况。为了设计出高性能 解决方案，首先对系统参数进行了模拟。结果如图 5 中的曲线图所示。
图5：数值参数研究：结果。a）温度不均匀性与流速。b）温度不均匀性与电池单元之间的间隙。c）温度不均匀性与电池单元区域覆盖率。
第一幅图（图 5a）表明，电池单元内的温度不均匀性取决于流速。该流速应足够大，以避免温度不均匀性；但又应足够小，以使泵所需的功率保持在合理水平。在选择电池单元之间的间 隙时，可以进行相同的分析（图 5b）。间隙过大会增加流体总质量而不会带来任何实际好处；如果间隙过小，温度将变得过大。最后一点涉及流体对表面的覆盖率。可以看出，没有必要完 全浸没电池组。性能将随着与流体接触的表面积而下降，但对于某些配置而言，这可能是一个 有意义的折衷方案，并且是一种减少这种系统重量的有效工具。所有这些数据都证明了在流体 设计时充分理解系统的重要性。实际上，已经针对不同流体进行了相同的参数研究。最优流体 将取决于所选配置。
下一部分将对具体情况进行描述，然后将就电池热管理系统的其他部件展开讨论。3.优化解决方案的整体方法
上述模拟能够使流体和系统配置得到优化。对于优化过程，不再详述，但会提供特定配置的整体性能。表 3 提供了在流体完全覆盖电池单元且电池单元之间间隙为 0.4 mm 的配置中，流体的这种特定性能。研究采用 3.75 C 充电率，这远远高于目前市面上的充电率，可以形成严峻的场景以供热研究。
性能指标
| 值
| 单位
|
流体总质量
| 4.5
| kg
|
流体流速
| 20
| L/min
|
总压力损失
| ＜300
| mpar
|
| 电池单元最大温差ΔT | 8
| ℃
|
表3：所选特定配置在使用本文热流体的情况下的性能指标。电池单元100％浸没，电池单元间隙为0.4mm。
在这种配置下，温度不均匀性保持在 10℃以下。这表明，即使在这种极端场景下，在从电池单元向流体提取热量的过程中性能依然出众。对于其他当前热管理解决方案，尚未清楚证明可达到这一效率。然而，在整个系统层面上，这种在电池组层面上的性能还是存在疑问的。实际上，高性能系统并非一定高效：系统重量和功率要求是要评估的关键参数。接下来的部分将尝试提供流体相关信息，以帮助答疑。第一个问题是创新流体与电池组中使用的材料（聚合物、密封件、管）是否兼容。实际上，所考虑的用于电池组的材料可能与当前润滑系统中使用的材料不同。已经认识到这一点，并已开发出材料兼容性试验。即使必须小心谨慎，但材料的使用并不一定会妨碍这种技术的采用。考虑到这种流体要比水/乙二醇混合物更粘稠，因此第二个要回答的问题是循环这种流体所需的功率是多少。为此已对流体进行优化。如上所述，所需流速为 20 L/min，并且由电池组内的流动引起的压力损失小于 300 mbar。可以找到功耗为 50 W、质量小于 0.5 kg 的市售泵。该组件在电池热管理系统中似乎具有一定相关性。第三点涉及将热量从流体传递到外部的效率。实际上，模拟假设的是与外部进行了理想的热交换。热回路通常使用两种类型的组件：散热器和冷却器。二者都具有交换表面，并且在湍流的情况下可以更好地工作。已知流体导热率低于水/乙二醇，必须增加表面积。此外，为了使流体流动变成湍流形式，可能必须重新设计通道来形成湍流。导热率和雷诺数这两个标准是已知的，可能会导致这些部件在尺寸、重量和价格上以受控方式增加。对于这一缺点，必须与无需大型冷板或昂贵导热垫的解决方案带来的简单性相平衡。最后一个问题与系统重量有关。首先，应注意使电池组中的液体量保持在合理水平（小于 5 kg）。热循环可能会使这个量加倍，导致整个 BTMS 达到大约 8 kg。考虑到所考虑的场景为极端严峻的情况，这个量仍然可以优化。与使用水/乙二醇的当前热回路相比，这种合理的量可以视为一种优势。结论和未来前景
本文研究了创新介电流体作为高效电池热管理系统的主要部件的使用。已经设计了电池单元层 面的专用台架试验，证明了该解决方案具有从电池单元中提取热量的良好性能。在电池组层面， 已经进行了40 kWh电池组案例研究的模拟。在这种配置中，所用流体能够使4C充电场景的电池单元内温差小于8℃，证实了在电池单元层面下测量的优异性能。最后，基于对整个热管理 系统（重量、所需功率、泵送系统、热交换器）的分析，证明了使用具有低粘度和良好热性能 的相应流体的优势。与当前解决方案（如使用水/乙二醇进行间接冷却）相比，该解决方案显 然是一种可行的选项。已经证明，随着电动汽车市场的不断增长，特别是在解决快速充电问题方面，将需要开发出创新解决方案。我们的创新流体成本合理、热性能出众，因此我们相信，通过将其与直接电池冷却相结合，可以为上述问题提供一种解决方案。
作者：Nicolas Champagne，工学博士法国TOTAL M&S
参考文献
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[2]Rao, Zhonghao, and Shuangfeng Wang."A review of power battery thermal energy management."Renewable and Sustainable Energy Reviews 15.9 (2011): 4554-4571.
[3]Pesaran, Ahmad A. "Battery thermal management in EV and HEVs: issues and solutions."Battery Man 43.5 (2001): 34-49.
[4]Leng, Feng, Cher Ming Tan, and Michael Pecht."Effect of temperature on the aging rate of Li ion battery operating above room temperature."Scientific reports 5 (2015): 12967.
[5]Leng, Feng, Cher Ming Tan, and Michael Pecht."Ramadass, P., et al."Capacity fade of Sony 18650 cells cycled at elevated temperatures: Part I. Cycling performance."Journal of power sources 112.2 (2002): 606-613."Scientific reports 5 (2015): 12967
[6]Chowdhury, Sourav, et al.Total Thermal Management of Battery Electric Vehicles (BEVs).Vol. 1.No. DOE-MAHLE-06840-1.MAHLE, Lockport, NY, 2018.
[7]Ye, Ben, Md Rashedul Haque Rubel, and Hongjun Li."Design and Optimization of Cooling Plate for Battery Module of an Electric Vehicle."Applied Sciences 9.4 (2019): 754.
[8]Raisin, Champagne, “Innovative Fluid Allowing a New and Efficient Battery Thermal Management”, to be published in SAE Journal, 2019.
