基于液体的动力电池热管理系统性能研究

摘要：为了延长电池的使用寿命，提高电池的安全性，有必要对电池进行热管理。电动汽车动力电池热管理系统在理论分析、模拟建模和实验验证的基础上进行设计。在综合考虑了电池加热原理、加热模型和加热功率后，确定了基于液体的热管理模式。CFD该软件模拟和分析了设计系统，并验证了工程样机热管理的有效性。

目前，整个电动汽车行业正在蓬勃发展。电池是电动汽车的核心部件，其热特性对车辆的性能、安全性、寿命和使用成本有关键影响。

配置电池热管理系统是改善电池组热特性的关键措施之一。系统热管理功能包括：（1）在电池温度高时有效散热，防止热失控事故；（2）在电池温度低时预热，提高电池温度，确保低温下的充放电性能和安全；（3）减少电池组内的温差，抑制局部热区的形成，防止高温电池过度衰减，降低电池组的整体寿命 [1]。

根据能源提供的来源，电池热管理分为被动冷却和主动冷却，只采用周围环境冷却的方式进行被动冷却。随着电池能量密度、安全性、使用寿命和快速充电要求的不断提高，被动自然冷却技术已不能满足电池散热要求。目前，主要的主动热管理形式包括空气强制对流热管理、液体热管理、热管热管理和相变材料热管理，液体热管理受到越来越多制造商的青睐 [2-4]特对液体热管理技术的研究起步较早，取得了一定的成果，国内仍处于研究和探索阶段。

Tesla Motors公司的Roadster纯电动汽车采用了液冷式电池热管理系统。冷却管曲折布置在电池之间，冷却液在管道内流动，传递电池产生的热量。报告显示，行驶约16万公里后，Roadster电池组的容量仍能保持在初始容量的80%~85%，容量衰减仅与里程数明显相关，与环境温度和年龄关系不明显 [1,5]。

奥迪的A3.油电混合动力汽车配备8个模块，共96个能量存储单元。其热管理还采用液冷方案，两个电池模块中间配备冷板，通过冷板快速传递两个电池模块中间积累的热量，有效控制整体温升和整个模块的温度一致性。

Volt288辆插电式混合动力汽车使用458辆 Ah分层锂离子电池。热管理系统采用了液冷式设计方案，单体电池间隔布置了金属散热片(厚度为1 mm)，散热器上刻有流道槽，冷却液在流道槽内流动，带走热量。在低温环境下，加热线圈可以加热冷却液来加热电池。Volt电池组内的温差可控制在2℃在此期间，有效支持电池组8年的寿命保证期 [1]。

基于液体热管理电池组的高效液体热管理系统的开发CFD模拟、设计和验证工作。

1 电池产热模型

锂离子电池一般包括五种热源：不可逆热阻热、可逆熵热、混合热、相变热和反应热。Bernardi和New n从电池能量守恒出发，认为电池内部热量产生均匀，首次提出锂离子电池热生成率的一般表达式。在锂离子电池中，反应热和相变热比其他热源小几个数量级，通常被忽略 因此，热生成率的表达式为：

式中： U电池开路电压； I电池电流； V电池负载电位。以上三项分别表示不可逆内阻热、可逆熵热和混合热。

随后Tho s和New n在电池设计过程中，如果极化浓度差降低，混合热也可以忽略不计，类型(1)可以简化为:

电池内部的温度分布可根据经典热传导方程：

式中： ρ电池密度； Cp为比热； k i为电池在 i方向导热系数( i= x、 y、 z)； q热生成率； qcon为散热率。

电池的热生成率、比热容和导热系数可通过上述模型获得，为热管理设计和模拟分析奠定了基础。

2 液冷模式电池热管设计2.1 系统组成

基于液体的热管理系统可同时冷却和加热电池，主要包括液冷板、管道、低温散热器、电池冷却器、冷却液循环泵PTC水加热器、水箱、冷源等。PTC水加热器和车辆热管理系统集成或集成在独立的冷源中。

2.2 系统原理

电动汽车动力电池热管理的具体工作原理如图1所示。

图1 液体热管理系统原理图

当电池组不需要冷却时(如电池组内温度25℃)，不启动制冷系统和电池组液冷系统。

低温散热工况：当外界环境温度不高(如10℃)，电池包内部温度较高(如35)℃)当空调压缩机暂时不需要打开时，冷却液通过循环泵在液冷系统中循环，带走电池热量，较终通过低温散热器散热，从而达到冷却电池组的目的。

高温散热条件:当外部环境温度较高(如40)℃)，电池包内部温度较高(如45)℃)此时温差较小，仅通过低温散热循环冷却电池组困难，因此关闭低温散热器的冷却电路。打开制冷系统，电池冷却器可视为蒸发器，吸收冷却液（乙二醇水溶液）热量，冷却液冷却后进入冷板冷却电池组。

加热条件：当外部环境温度低于0时℃当需要打开加热装置、循环泵、关闭低温冷却电路和制冷系统时，通过加热装置加热乙二醇水溶液，输送到冷板加热电池组。

根据上述加热模型计算电池的加热功率，根据系统组成和工作原理获得所需的换热面积和冷却液流量，然后进行液体加热管理冷板和管道设计。具体设计结果如图2所示。

图2 液体热管理系统图

3 基于液体热管理系统模拟分析3.1 液体热管理系统流场仿真分析

使用CFD当冷却液流量为12时，软件对液体热管理系统流场进行模拟分析 L/min系统冷板和管道的模拟压力云图和速度云图如图3和图4所示。分析结果表明，冷却液进出口压差为51 kPa整个流场流速分布均匀，符合设计要求。

图3 系统压力云图

图4 系统速度云图

3.2 快速充电冷却性能模拟

设置快速充电冷却过程模拟分析边界条件和初始条件：环境温度40℃，冷却液流量12 L/min，进水温度15℃，快充倍率1.5 C，发热功率1 978 W，快充30 min充电倍率跳转至0.3 C，发热功率为828 W。如图5所示。较高温度44.5℃，充电结束时，上极柱较高温度为31℃，下极柱较低温度为23℃，温差8℃。

图5 快速充电冷却电池温度

3.3 模拟放电冷却性能

设置放电冷却过程模拟分析边界和初始条件：环境温度40℃，冷却液流量12 L/min，进水温度15℃，放电倍率1 C，发热功率1 407 W。模拟结果如图6所示。电池的较高温度为42℃，放电结束时，上极柱4℃，下极柱的较低温度为25℃，温差9℃。

图6 放电冷却电池的温度

3.4 加热性能模拟

设置低温加热过程模拟分析的边界条件：环境温度-20℃，冷却液流量12 L/min，进水温度35℃，当较低温度达到15时℃停止加热。模拟结果如图7所示。电池的较高温度为30℃，充电结束时，上极柱的较高温度为23.5℃，下极柱较低温度为15℃，温差8.5℃。

图7 电池加热过程的温度

4 实验验证4.1 实验条件及实验设备

(1)实验条件(环境温度、湿度、压力等)

环境温度-30~40℃，湿度30%~50%，压力101.325 kPa。

(2)实验设备(设备、测量设备等)

所需设备的具体情况如表1所示。

4.2 实验方法

本实验在天津中国汽车技术研究中心进行，主要基于液体的电动汽车动力电池热管理系统的冷却和加热性能，为系统优化和验证模拟精度奠定基础。

通过检测系统进出口压力获得系统流阻，通过在冷板表面粘贴热电偶获得冷板表面温度；在系统冷却性能中，电池温度通过集成在电源系统中的温度收集点上传到BMS获取。具体实验方法见表2。

4.3 实验设备及测点布置

为了了解系统性能，更好地匹配和优化系统，需要检测系统不同部位的温度。具体测点布置如图8所示，实验设备如图9所示。

图8 温度点布置

图9 实验设备

4.4 实验结果及分析

通过对系统实验数据的处理，分析电池组的温度特性，从而评价系统的性能。

4.4.1 基于液体热管理系统流阻试验验验证

系统流阻通过实验测量为48 kPa，相比模拟的51 kPa，在允许范围内，误差为6%。模拟精度可以满足设计。

4.4.2 快速充冷性能试验验验验验证

将含有液体热管理的电源系统放入步入式高低温箱进行实验，调节高低温箱温度40℃，相对湿度为50%。当电池温度达到35时℃之后，通过充放电设备对电源系统进行1.5 C充电时，打开液体热管理系统冷却电池 SOC达到80%后，充电率跳到0.3 C充满电池。实验结果如图10所示。充电时，电池温度先升高后降低，较高温度为42℃，充电结束温度为36℃，较低温度为29℃，温差7℃。与模拟结果相比，较高温度模拟精度为5.6%，充电后温度模拟精度为14%，温差精度为12.5%。

图10 快速充冷试验电池温度

4.4.3 放电冷却性能试验

将含有液体热管理的电源系统放入步入式高低温箱进行实验，调节高低温箱温度40℃，当电池温度达到40%时，相对湿度为50%℃之后，通过充放电设备对电源系统进行1 C放电，打开液体热管理系统，冷却电池。实验结果如图11所示。随着放电，电池温度首先升高，然后降低，然后升高。总体趋势稳定，较高温度为40.7℃，电池较高温度为40℃，较低温度为32℃，温差8℃。与模拟结果相比，较高温度模拟精度为3.1%，充电后温度模拟精度为15%，温差精度为12.5%。

图11 放电冷却试验电池温度

4.4.4 加热性能实验验证

将含有液体热管理的电源系统放入步入式高低温箱进行实验。调整高低温箱温度-20℃，相对湿度为50%。当电池温度达到-200℃之后，同时打开液体热管理系统加热电池，进水温度为35℃；当电池的较低温度达到-55℃当电池温度达到15℃停止加热后，继续充电至充满。实验结果如图12所示。随着加热进行，电池温度先升高后降低，充电结束电池较高温度为24℃，较低温度为16℃，温差8℃。与模拟结果相比，较高温度模拟精度为2.1%，充电后温度模拟精度为6.25%，温差精度为6.25%。

图12 加热过程试验电池温度

5 结论

(1)设计基于液体的电动汽车动力电池热管理系统，建立锂离子电池热模型。

（2）通过模拟和分析设计的液体热管理系统的流场、不同充放电率下的电池温度和加热条件下的电池温度场，验证设计的液体热管理系统的合理性，并将电池温度控制在45℃满足电池工作范围的要求。

(3)基于液体的电动汽车动力电池热管理系统设计的有效性通过实验验证，模拟精度也得到验证，尤其是产热模型的修正。

(4)基于液体计的基于液体的电动汽车动力电池热管理系统℃高温1.5 C电池温度45℃电池较高温度在29~36之间℃；40℃高温1 C在放电条件下，电池温度可控制40℃较高充电温度为32~40℃；在加热过程中，电池温度首先升高，然后降低。充电较高温度为24℃，较低温度为16℃，温差8℃。