摘要：

電池包作為電動汽車的動力源，其性能決定著電動汽車的安全與壽命，有效的熱管理系統(tǒng)對電池包的安全運行起到至關(guān)重要的作用。本文在數(shù)值傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)上，建立電池包液冷系統(tǒng)熱?流?電模型，綜合分析電池包液冷板在0.5C和1.0C工況下的流場與溫度場分布。結(jié)果表明：進出口處存在明顯的流動阻力，顯著增加了泵耗，導(dǎo)致液冷板進出口壓差高達11.82kPa；液冷板溫度呈現(xiàn)明顯的不均勻性，隨著放電倍率從0.5C增加到1.0C，溫度不均勻性由3.16℃增加到5.57℃。同時，本文還考慮了電池包在瞬態(tài)工況下的溫度變化。該研究可為電池包熱管理系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

01.引言

在我國“2030年碳達峰、2060年碳中和”的低碳發(fā)展背景下，新能源技術(shù)得到了迅速發(fā)展。其中，新能源電動汽車的發(fā)展有效地解決了傳統(tǒng)汽車帶來的能源危機和環(huán)境問題。動力電池作為電動汽車的核心部件之一，其性能很大程度上取決于工作溫度。過高的溫度會降低該類電池的性能，嚴(yán)重時會導(dǎo)致熱失控、爆炸等極端事故。因此如何確保電池在安全的溫度范圍內(nèi)運行是一個亟待解決的問題。

目前，電池包不同的熱管理策略均得到了快速發(fā)展。其中，液冷散熱技術(shù)因其優(yōu)異的冷卻性能倍受行業(yè)的青睞。研究表明，液冷板的設(shè)計和部署方式對冷卻效率有著顯著影響。借助不斷發(fā)展的數(shù)值模擬工具，國內(nèi)外學(xué)者對冷卻板的優(yōu)化設(shè)計開展了大量的研究工作。結(jié)果表明，溫度不均勻性對電池包的安全運行和壽命具有顯著影響，且當(dāng)電池在較高電流下工作時，這種不均勻性顯著增加。目前，液冷系統(tǒng)的研究主要集中在通道幾何參數(shù)、冷卻板結(jié)構(gòu)、流體流動分布等方面。最近，一些先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計也被提出，例如葉狀通道、微通道和蛇形通道等，為電池散熱研究提供了新的方向。然而，關(guān)于液冷散熱系統(tǒng)與電池組的流?熱?電耦合研究仍然存在局限性。

本文利用數(shù)值模擬工具對某純電動車電池包的液冷散熱板的性能進行綜合評估。首先，利用FLUENT軟件，建立電池組和液冷板的三維穩(wěn)態(tài)模型，分析其在0.5C和1.0C工況下液冷板的流場和溫度場分布，并討論電池組內(nèi)部的溫度分布情況。其次，通過COMSOL軟件建立電池組內(nèi)部的熱化學(xué)模型，探究放電過程對溫度場的影響。本研究可為這款電池包散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

01.數(shù)值研究

1.1 設(shè)計要求

如圖1所示，研究的電池包主要包括一個液冷板和兩個電池模組。每個電池模組由26個電芯組成，電芯之間用導(dǎo)熱硅膠粘連以緩解接觸熱阻。電池模組被放置在冷卻板上，并用導(dǎo)熱硅膠粘連。根據(jù)表1給出的結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計參數(shù)，建立該電池包的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的數(shù)值模型。

1.2 材料設(shè)置與邊界條件

以電池包在0.5C和1.0C運行工況下為例，評估液冷板的熱管理能力。針對給定的電芯發(fā)熱功率進行穩(wěn)態(tài)分析?；谟邢摅w積法的FLUENT軟件已被證明能夠準(zhǔn)確模擬該類問題。根據(jù)表1給定的設(shè)計參數(shù)，冷卻液為50%乙二醇+50%水，液冷板進口給定流量和溫度分別為5L/min和18℃。冷卻液在液冷板通道內(nèi)的流動屬于強制單相對流，其相關(guān)控制方程（連續(xù)性方程、動量方程、能量方程）可參考FLUENT理論手冊。出口設(shè)定為壓力出口邊界。為方便研究，整個電池包外部壁面設(shè)置成對流換熱邊界，液冷板與上部蓋板為鋁制材料，電池模組上壁面與側(cè)壁面被設(shè)置成絕熱邊界。穩(wěn)態(tài)模擬時，假設(shè)電芯發(fā)熱功率與放電倍率呈線性關(guān)系，即0.5C對應(yīng)的電芯發(fā)熱功率為12.5W；1.0C對應(yīng)的值為25W，其他邊界條件保持不變。詳細邊界條件見表2。

在電池系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中，對電芯性能的研究尤為重要。其中，電芯實時產(chǎn)熱計算是電池?zé)峁芾碓O(shè)計非常重要的環(huán)節(jié)。因此，除了根據(jù)給定的發(fā)熱功率進行穩(wěn)態(tài)計算外，還根據(jù)該電池組的工作及熱效應(yīng)原理，采用COMSOLMultiphysics軟件建立了該電池的電化學(xué)?熱?流耦合模型。模型中，使用該電池模塊的一維等溫模型來計算產(chǎn)熱，定量分析不同倍率對電池包溫度場分布的影響。根據(jù)文獻，電化學(xué)部分邊界條件設(shè)置如下：電解質(zhì)由體積比為1∶2的乙烯碳酸脂∶碳酸二甲酯溶劑、2mol/LLiPF6和偏氟乙烯?六氟丙烯共聚物［p(VDF-HFP)］組成；負極材料為石墨材料，正極材料為LiFePO4；電解質(zhì)、陰極和正極的厚度根據(jù)案例庫設(shè)置為52、100、174μm；電極活性面積為16m2。使用基于歐姆定律的電荷守恒來計算電子導(dǎo)電相中的電位，其中電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)作為源項或匯項。對于多孔電極的電解質(zhì)相，使用有效電導(dǎo)率σeff來分析孔隙率和迂曲度，表達式如下：

式中：γ為Bruggeman系數(shù)，取值3.3?？紫堵师湃≈?.4。用相似的方法處理擴散系數(shù)。其余參數(shù)設(shè)置根據(jù)COMSOL自帶材料庫默認設(shè)置。在熱模型中，溫度通過非局部積分耦合設(shè)為活性電池材料的平均溫度。為了保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，該電池的初始荷電狀態(tài)設(shè)為10%，即1.0C設(shè)置為250A。方波函數(shù)用于設(shè)置0.5C/1.0C放電倍率時的充電/放電電流，循環(huán)時間為14400s（0.5C）/7200s（1.0C）。瞬態(tài)模擬過程中的電池電勢和電流密度變化如圖2所示。其余流動和傳熱邊界與穩(wěn)態(tài)計算相同。

1.3 網(wǎng)格模型與求解

數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性極大程度取決于網(wǎng)格質(zhì)量。由于液冷板內(nèi)流道的非規(guī)則性，該模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分。整個計算域由固體域和流體域組成如圖3，其中固體域由電芯、上部蓋板、液冷板、導(dǎo)熱硅膠組成，流體域僅包括冷卻流體。由于固體域只涉及簡單的導(dǎo)熱問題，可采用較大的網(wǎng)格進行劃分。而流體域內(nèi)流動與傳熱問題較為復(fù)雜，其網(wǎng)格需進行局部加密處理。同時，為了準(zhǔn)確捕獲流?固交界面附近的流動與傳熱特征，邊界層網(wǎng)格被使用。

該電池包以冷卻流體在液冷板內(nèi)的流動實現(xiàn)對電芯的冷卻，屬于強制單相對流換熱范疇。經(jīng)初步計算，冷卻液在液冷板內(nèi)屬于湍流流動，本文穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬均采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型進行模擬。壓力速度耦合采用couple算法，湍流和能量方程采用二階迎風(fēng)格式離散。三個收斂標(biāo)準(zhǔn)被設(shè)置，即各方程的殘差小于1×10?6，或者冷卻液進出口溫差和壓降不再變化。為了優(yōu)化計算過程，將進出口溫度和壓差作為監(jiān)測量，執(zhí)行網(wǎng)格無關(guān)性分析。如表3所示，通過對5組網(wǎng)格模型的計算，12300100個網(wǎng)格單元被采用。

1.4 電化學(xué)模型驗證

由于目前尚缺磷酸鐵鋰280Ah方形電芯的產(chǎn)熱實驗數(shù)據(jù)，因此根據(jù)文獻[11]的電芯放電電壓?容量曲線對電芯的電化學(xué)模型進行驗證。如圖4所示，建立的電化學(xué)模型的放電電壓?容量曲線與實驗數(shù)據(jù)比較吻合。由于所有材料參數(shù)均為COMSOL材料庫經(jīng)驗參數(shù)，可以認為所建立的電化學(xué)模型能夠體現(xiàn)磷酸鐵鋰280Ah方形電芯的工作特性。

02.結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)分析

根據(jù)表1中的設(shè)計參數(shù)，主要討論兩種工況（0.5C和1.0C）下電池包內(nèi)的溫度分布，以及流體域內(nèi)的速度和壓力分布。

2.1.1 溫度場分析

圖5給出了兩種工況下電池包的溫度云圖。兩種工況下，電池包進口側(cè)溫度明顯低于出口側(cè)溫度，主要是由于冷卻液在進出口處的冷卻能力不一致導(dǎo)致的。當(dāng)放電倍率分別為0.5C、1.0C時，電池包的最高溫度分別為26.65℃、33.48℃。為了觀察電池包內(nèi)部的溫度變化，給出了其對應(yīng)的剖面圖。結(jié)果顯示，當(dāng)放電倍率為0.5C時，54塊電芯的最大溫差為7.52℃。當(dāng)放電倍率為1.0C時，由于電芯發(fā)熱功率增加，而其他邊界條件保持不變，電芯的最大溫差為13.40℃。兩種工況下電池包溫度均呈現(xiàn)不均勻分布，且這種不均勻性隨著功率增加而增加，模擬結(jié)果與文獻結(jié)果呈現(xiàn)了一致性。嚴(yán)重的溫度不均勻性會顯著降低電芯的性能，可通過對流體域的優(yōu)化設(shè)計降低溫度不均勻性。

圖6詳細展示了液冷板的溫度分布云圖。由于流動方向和流動橫截面積的驟然變化，兩種工況均出現(xiàn)了局部高溫現(xiàn)象。當(dāng)放電倍率為0.5C時，液冷板最高溫度為21.16℃，最大溫差為3.16℃。當(dāng)放電倍率為1.0C時，液冷板最高溫度為23.57℃，最大溫差為5.57℃。兩種工況下冷卻流體的溫度分布如圖7所示。由于回流的影響，流域內(nèi)出現(xiàn)了局部高溫區(qū)域。

2.1.2 速度場分析

由于兩種工況下的邊界條件僅表現(xiàn)在電芯放電倍率不同，即電芯的發(fā)熱功率不同。而溫度對單相液體的流場和壓力場幾乎沒有影響，認為兩種工況下的流體域具有相同的速度場和壓力場。圖8展示了冷卻流體的流線圖和截面速度矢量圖。在進出口區(qū)域，流體流速較大，隨著流體進入流動內(nèi)部，流動橫截面積增大，流體流速降低。與此同時，隨著流動面積的突然增加，冷卻液會產(chǎn)生回流?；亓鲄^(qū)域的流體流速較慢，降低了該區(qū)域內(nèi)流體的冷卻能力，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較高（如圖7所示）。

2.1.3 壓力場分析

冷卻液在液冷板內(nèi)的壓力分布如圖9所示。流體域最大壓力為12.56kPa，最小壓降為?3.20kPa，導(dǎo)致該流體域內(nèi)出現(xiàn)了回流。通過對表4中7個截面處壓力值的分析可以發(fā)現(xiàn)，進出口壓降為11.82kPa。流道內(nèi)部壓力變化均勻，壓力損失主要集中在進出口處。

2.2 瞬態(tài)分析

由于溫度對單相液體的流場和壓力場幾乎沒有影響，且流動邊界條件并未發(fā)生改變，因此穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計算下的流體域具有相同的速度場和壓力場。因此本節(jié)不再贅述流體域內(nèi)的速度和壓力分布。根據(jù)表1中的設(shè)計要求，著重討論兩種工況（0.5C和1.0C）下電池包內(nèi)的發(fā)熱功率和電池溫度隨時間的變化特性。

2.2.1 電池發(fā)熱功率和溫度

如圖10所示，電池發(fā)熱功率在充放電過程中存在差異。在0.5C工況下，充電時最大發(fā)熱功率約為3000W/m3，而放電時最大功率為4930W/m3；在1.0C工況下，充電時最大發(fā)熱功率約為14000W/m3，而放電時最大功率為17500W/m3。結(jié)果表明，電池組在放電工況下能達到最大發(fā)熱功率。發(fā)熱功率在充電階段增加率相比放電階段更快；發(fā)熱功率在放電初期一直保持在較低水平。綜上可知，電池組溫度在充電過程比放電過程上升更快。且對比給定的穩(wěn)態(tài)發(fā)熱功率（0.5C時發(fā)熱功率為12.5W/電池，約4850W/m3），瞬態(tài)模擬中的發(fā)熱功率在0.5C工況下略低，而在1.0C工況下略高。由圖10還可以看出，由于電池難以達到熱穩(wěn)態(tài)（在溫度未平衡時即充/放電完畢），因此電池溫度在大部分時間比穩(wěn)態(tài)計算時更低。對于0.5C工況，最高溫度為22.32℃，平均溫度最大僅為21.54℃；對于1.0C工況，由于發(fā)熱功率更高，電池溫度比穩(wěn)態(tài)計算略高，最高溫度在放電過程短時間內(nèi)達到了35.17℃，平均溫度最大為30.67℃。

圖11展示了兩種工況下電芯最高溫度時刻的溫度分布云圖。當(dāng)放電倍率為0.5C時，54塊電芯在7200s時達到最高溫度，為22.32℃，最大溫差為2.91℃。當(dāng)放電倍率增加到為1.0C時，由于電芯發(fā)熱功率增加，而其他邊界條件保持不變，電芯在7200s時達到最高溫度35.17℃，最大溫差為10.25℃。

圖12展示了液冷板的最高溫度隨時間的變化情況。當(dāng)放電倍率為0.5C時，液冷板最高溫度為19.91℃，最大溫差為1.91℃。當(dāng)放電倍率為1.0C時，液冷板最高溫度為27.48℃，最大溫差為9.48℃。

04.結(jié)論

利用數(shù)值模擬軟件建立了某磷酸鐵鋰電池組的熱?流?電模型，并對其進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析。結(jié)果顯示，冷卻液進出口壓差達到11.82kPa，壓力損失主要集中在液冷板進出口處，且冷卻液存在明顯的回流現(xiàn)象。與此同時，電芯溫度顯示出明顯的不均勻性，隨著放電倍率的增加，這種不均勻性進一步增強。為了確保電池的穩(wěn)定工作，優(yōu)化液冷板時應(yīng)綜合考慮流動壓降和溫度均勻性。

本文標(biāo)題：鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能分析

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