汽车锂离子动力电池冷却方案的对比研究

摘 要：当前电动汽车上采用的高容量、大功率磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池性能对温度变化较敏感，长时间工作在高温环境下，虽然可增大其放电容量，但也会加快其老化速度，严重缩短其使用寿命。磷酸铁锂电池的最佳工作温度为18℃～45℃，可接受的温差范围应不高于10℃。而由于车辆动力舱的空间限制，磷酸铁锂电池都是密集排布在汽车电池箱内，在电池工作过程中，其内部所产生的焦耳热、极化热、反应热和副反应热等热量更容易积聚，如果电池在绝热或高温等冷却不充分的环境中运行，其温度将会显著上升，从而降低电池充、放电循环效率，甚至导致电池组热失控，影响系统的安全性与可靠性。因此，掌握磷酸铁锂动力电池组温度场对于推动其在电动汽车领域的应用是非常必要的。

关键词：汽车;锂电池;温度场;冷却方案

0 前言

目前，当前动力电池组通常有气体冷却、液体冷却和相变材料冷却等冷却方式，在早期的电池冷却方案设计中，各汽车公司主要采用串行通风结构对圆形电池模块进行冷却散热，即冷却流体依次通过各电池单体表面，该方式沿流场方向冷却流体和电池的温差逐渐减小，换热能力也逐渐减小;而对于当前应用较广的方形锂离子电池模块，并行通风结构更加适用，该方式中冷却流体同时流过各电池单体，各单体和冷却流体的热交换条件相近，冷却效果更加均匀。为了解动力电池在实际工作状态下的冷却需求，保证其工作寿命，提高整车的性能，本研究计算锂离子电池组在不同工况下的温度场分布情况，并以电池组内最高温度和最大温差值为指标，分析对比在不同流量及温度条件下空气强制冷却及导热油强制冷却方案对电池组的冷却能力。

1 空气自然对流冷却时的电池组温度场特性

为了解该成组电池的生热特性，本研究首先对自然对流冷却下的电池组的温度场进行仿真分析，设定环境温度为30℃，从计算结果可以看出，在同样的初始温度下，电池组以不同倍率恒流放电至热平衡状态时，温度分布各不相同。处在电池组中间位置的电池单体温度最高，两侧温度逐渐降低。随着放电倍率增大，电池组整体温升增大，且在大倍率状况下已达到171.9℃，不仅已远远超过了电池的最佳工作温度区间，而且电池极有可能出现热失控而引发爆炸，带来极大的安全隐患。同时随着放电倍率的增加，电池表面的温差也急剧增大，电池组内部温度也越发不均衡。因此，必须为工作中的电池组采取一定的强制对流冷却措施。

2 环境风强制对流冷却时的电池组温度场特性

在仿真分析的基础上，引入环境空气对电池组进行强制风冷。环境温度设定为30℃，即冷却风的进口温度为30℃。首先本研究设定进口速度为1m/s的低速风冷状态，此时在不同放电倍率下，电池组达到温度平衡时的计算结果及温度场分布。可见，仅在1/3C、2/3C的放电状况下，低速环境风对流冷却可以有效控制电池组的温度及温差，而当放电倍率增大到1C时，电池组内最高温度已达到63.8℃，温差也高达21.2℃，故笔者尝试增大冷却强度，提高环境风进口速度到3m/s，探究是否能够将温度控制在理想范同内。可见提高环境风强制冷却的进口风速至3m/s后，电池组的最高温度明显降低，但1C倍率下最高温度为48.6℃，最大温差达到13.6℃左右，仍然需要改善。进一步提高环境风强制对流冷却强度，当环境风进口速度达到5m/s时，可见，进一步提高环境风强制冷却的进口风速至5m/s后，各倍率下电池组的最高温度均有明显降低，均满足最佳工作温度范围，但1C倍率下最大温差为10.8℃，均匀性有待提高。为解决这一问题，继续提高环境风进口速度至10m/s，可见在几种典型放电状态下，该强度（10m/s）的环境风强制冷却能够将电池组温度及温度均匀性控制在理想范同之内，同时也会带来一定的风扇噪声及功率消耗。

3 导热油强制对流冷却时的电池组温度场特性

为适应高倍率放电状态下的电池组工作温度需求，本研究提出了以一种冷却介质—导热油，对工作中的电池组进行冷却。相比较空气、水等常用冷却介质，导热油具有较高的导热系数，同时它的绝缘性可以保证电池组的电安全性。如果以它作为电池组的直接冷却介质，可以较快地转移走电池组内部热量，从而增强其冷却效果。该模拟设定导热油的流入温度为30℃，由于导热油的黏性远大于空气，其在电池组间的流速将会大大降低，本研究分别设定其流速为0.2m/s、0.5m/s和1m/s，在以1C大倍率恒流放电至平衡状态时，可见在1C的高倍率恒流放电状态下，即使是很低的流速（如0.2m/s），导热油冷却也能够非常好地控制电池组温升幅度，各单体电池间的温差也骤降至3℃以內，冷却效果很好。当放电倍率为2/3C时，由于较低倍率下的电池生热速率较低，而导热油的换热能力较强，电池组温升及温差随之降低，温度场分布均匀，导热油冷却效果非常好。当放电倍率为1/3C时，可见此时电池组温升及温差进一步降低，整个电池组可以维持一个基本恒温的温度场分布，导热油冷却效果非常好。综上所述，导热油冷却方式完全可以满足各倍率放电条件下的电池组冷却需求，是一种十分有效的冷却方式。

4 结语

在车用锂离子电池组中，自然对流换热基本能满足低倍率放电下的冷却要求，但无法满足高倍率放电下的冷却要求。考虑到车辆运行工况的变化范围，建议采用强制冷却方案;环境风强制对流冷却可以以较低的流速满足中小倍率下的电池组的冷却需求，但需要较高的流速来满足大倍率放电下的电池组冷却需求，此时将会带来较大的风扇噪音和功率消耗，同时该方式对于环境温度的依赖性较高;导热油强制冷却方案与空气强制对流冷却方案相比，前者对各倍率下的温度场冷却效果均较好，能够将电池组最高温度及最大温差控制在理想范围内，是一种有效的冷却方案，但密封性、绝缘性设计要求较高，结构较后者复杂。

参考文献：

[1]常国峰，陈磊涛，许思传.动力蓄电池风冷热管理系统的研究[J].汽车工程.

[2]叶奔.电动汽车锂电池模块冷却系统设计和优化[D].浙江理工大学.

[3]陈展.纯电动汽车锂离子动力电池热分析及温控研究[D].北京建筑大学.

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