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摘要：锂离子电池作为新能源的核心部件，应用非常广泛。然而动力电池在高温时很容易出现寿命减损甚至引发热失控等安全问题，大大缩短了其使用寿命，降低了可靠性和安全性，动力电池组热管理系统在新能源汽车未来发展中至关重要。锂离子电池工作的理想温度范围在15~35℃之间，低于15℃会导致电池内部离子传输不良，降低电池性能；如果高于35℃将会使电池内部可循环锂和活性材料的耗散率增加。采用微通道的冷却结构能够有效降低电池组温度，通过改变冷却液流量和入口温度能有效改善电池组温升和温度均匀性，从而使电池组工作在合理范围内。
关键词：大容量；锂电池；液冷；冷却结构；设计；仿真
1对大容量锂电池液冷冷却结构的影响
1.1冷却液的温度
在冷却过程中，冷却液的温度越低，电池的最高和最低温度都相应低，但两者的差距大。在加热过程中，冷却液的温度越高，则电池的温差也大。也就是说，冷却液与电池温差越大，则会造成电池组内部不同位置的电芯产生较大的温差。这个现象主要与不同位置电芯受热管理系统的温度调节影响程度不同有关。有的电芯与散热器接触面积大，有的比较小；另一方面，冷却液在电池包内部循环过程中，从进口到出口，温度一直在发生变化。在不同位置，冷却液与相同本体温度的电芯，温差反而不同，只有精确的热设计可以解决这个问题，而不是简单的调节冷却液温度就能做到的。
1.2冷却液流量
冷却液的流量越大在相同时间段内带走的热量越多。有仿真专门观察了液冷模型，其他参数不变，只调节冷却液流量的情况下，冷却液流量对冷却效果的影响。随着冷却液流量的增加，电池系统的最高温度在降低，但温差在增大。越过一个温差最高点以后，流量继续增加，温差转而开始减小。后面流量继续增加的过程中，最高温度和温差都单向一直在减小。流量增加的前半部分过程，最高温度下降、温差增加，其原因与冷却液温度持续下降的效果一致，都与具体的热结构设计有关，不同的冷却效果带来不同的温度变化量。在流量增加测试后半部分，随着流量的增加，温差开始减小并持续减小，是因为，冷却液的流量增大到一定程度，相对于冷却液的吸热能力，电池传递给冷却液的热量相对变小。这样，一方面，对冷却液的温度影响变小，距离系统进口远近不同位置的冷却液，温差越来越小；另一方面，不同电芯传热面积的差异带来的传热能力的差异，相对也在变小。于是，系统的整体温差持续降低。
但流量不可以持续提升。一方面与消耗能量的大小有关，必然选择一个性价比最好的流量。另一方面，长期保持大流量，是对冷却液循环系统强度的考验，设备寿命可能降低，同时，事故风险上升。
2动力锂电池组的冷却性能仿真分析
针对本文设计的冷却结构，我们主要研究了该冷却结构下不同的冷却条件对电池组冷却性能的影响，讨论对象为1C放电倍率下电池表面平均温度值qaver和电池组各单体电池间的最大温差qdiff，其中qdiff用以评判电池组温度均匀性。
2.1流量对冷却性能的影响
对于该工况，我们选择了0.5、1和1.5L/min三种流量用来讨论冷却液流量对电池冷却性能的影响。
图1 不同冷却液流量下电池组最大表面平均温度随时间变化曲线
图1所示为电池组表面平均温度最高值随时间变化的曲线。从图中可以看出，流量为0.5L/min时经过1h放电最高值达到33.02℃，流量为1L/min时则为32.52℃，流量为1.5L/min时达到32.32℃。未加该冷却装置时动力锂电池最高表面平均温度值为36.32℃，相比之下，三种流量电池组最高表面平均温度值分别减小了3.3、3.8和4℃。且三种流量下在放电末期温度均有加速上升的趋势，根据上文分析，这是由于在电池组放电末期电池内阻急剧升高导致生热率显著增加导致的。
图2给出了冷却液入口温度20℃时不同流量下电池组最大表面平均温度温差随时间变化的曲线。流量为0.5L/min时放电结束最高温差值达到0.98℃；而流量为1L/min时经过1h放电最高温差值为0.58℃，电池组各单体电池间温度均匀性更好；流量为1.5L/min时最高温差值更小，为0.41℃。在放电360s后三种流量下的温差值增幅均有降低的趋势。经过以上对比分析可知，流量越大冷却效果越好，温差也越小，但相比之下流量为1和1.5L/min时的效果差别很小。三种流量下放电结束电池表面温度分布情况如图3所示，可以看出放电结束时流量为1和1.5L/min时的高温区域更少，且这两种流量下的冷却效果基本相同，所以从功耗和冷却效果两方面综合考虑，可能中等流量下是更好的选择。
2.2 冷却液入口温度对冷却性能的影响冷却液的入口温度也是影响换热性能的一个重要条件，为进一步探索本文所设计的电池组热管理装置的性能，这一节讨论不同冷却液入口温度对电池组换热性能的影响。
图7 不同冷却液入口温度
图7为电池组最高表面平均温度值随时间变化的曲线，冷却液入口温度为15℃时经过1h放电最高值达到32.11℃；冷却液入口温度为20℃时最高值有较小幅度的升高，达到32.52℃；而冷却液入口温度为25℃时最高值达到33.92℃。相比于未加冷却时，三种流量下电池组最高表面平均温度值分别减小了4.21、3.8和2.4℃，均具有一定的冷却效果，且冷却液入口温度越小冷却效果越明显，但冷却液入口温度为15和20℃时的冷却效果差别不大。
3结论
建立了动力锂电池的生热模型，在和实验结果对比之下显示了模型的适用性。仿真结果和实验结果均显示锂电池的生热速率随着放电倍率的增加而迅速增大，并揭示了方形动力锂电池在放电末期由于内阻急剧增大生热量也迅速增加的现象。本设计中采用的微通道冷却铝板的液冷方式具有较好的冷却效果，在 1 C 放电倍率时本文的几种设计工况下电池表面平均温度最高能降低 4.21 ℃，电池组表面平均温度最大温差始终不超过 1.5 ℃。增大冷却液流量和降低冷却液入口温度均能有效降低电池组表面平均温度和电池组温差，冷却液流量越大、冷却液入口温度越低冷却效果越好，但从功耗和冷却效果综合考虑，中等流量和中等冷却液入口温度是更好的选择。
参考文献：
[1]RAO Z, WANG S, WU M, et al. Experimental investigation on thermalmanagement of electric vehicle battery with heat pipe[J]. EnergyConversion & Management, 2013, 65(1):92-97.
论文作者:郭荣林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：冷却液论文; 流量论文; 电池组论文; 温度论文; 温差论文; 电池论文; 入口论文; 《基层建设》2019年第19期论文;