锂离子电池组热管理系统的研究

锂离子电池组热管理系统的研究

0电池冷却液冷式热管理系统近年来，在污染和能源短缺的背景下，以电动汽车为代表的新能源汽车行业迅速发展。电池热管理技术根据冷却介质的不同可以分为空气冷却PCM冷却利用相变材料的相变潜热吸收和储存电池释放的热量，再传递给外界空气，从而实现电池冷却液冷式热管理系统以添加乙二醇进行防冻处理的水溶液作为冷却介质。与PCM相比，液体工质具有高导热性在电动汽车行驶过程中，动力电池根据功率调节在各种充放电倍率（C-rate）下运行，导致电池热管理系统的热负荷变化。针对液冷式热管理系统，研究电池在各种充放电倍率下所需的冷却液流量、泵功能耗以及热管理收益，能够在保证冷却效果的同时，降低多余能耗，对工程应用具有指导意义。本文基于多通道蛇形波纹管液冷式热管理系统，以200个18650锂离子电池组成的动力电池模组为热管理对象，对不同热负荷条件下的冷却液流量、热管理效果及最优热管理方案进行了实验研究。1实验系统1.1锂离子电池从金属镍片制作成电池实验使用的单体电池性能参数如表1所示，为BAK公司生产的商用18650锂离子电池，标称容量为2750mA·h，电池阳极材料为石墨，阴极材料为镍钴铝酸锂（nickelcobaltaluminum,NCA）。电池模组由金属镍片将200个单体圆柱型锂离子电池以10并20串的方式焊接而成。所选电池采用混合脉冲功率（hybridpulsepowercharacterization,HPPC）重复循环测试以确定其开路电压（opencircuitvoltage,OCV）、容量和内阻，并根据以下条件进行筛选：(1)容量为2750uf0b150mA·h;(2)内阻为30～40mΩ[100%荷电状态（stateofcharge,SOC）且环境温度T1.2电池模块设计针对实验所采用的圆柱型电池，蛇形波纹管相比于普通管与电池之间的接触面积更大，当冷管与电池接触面积越大时，其散热能力越好，因此选用蛇形波纹管作为冷却管。图1为基于蛇形波纹管的电池组液冷式热管理系统，该系统由换热器、水泵、流量计、压差计以及带有蛇形波纹冷却通道的电池模组组成，以蒸馏水作为冷却液。电池模块的详细结构如图2所示，该电池模块由电池模组和蛇形波纹冷却通道组装构成。蛇形波纹管长30.50m、高35mm、厚3mm，管内有四个小型流道，每个流道长5mm、宽3mm。每个电池外壁面和蛇形管道接触面之间放置导热垫片并涂抹导热硅脂以确保两者紧密贴合从而减小接触热阻。电池模组以保温棉覆盖包裹，减小空气对流对热管理系统热负荷的影响。在实验过程中，三通阀ab路导通，ac路关闭，换热器风扇启动，运转水泵使冷却水开始循环流动，经过蛇形波纹管道冷却电池后，再经换热器将热量排放到外界空气。本实验所用流量计具备流量调节功能，通过流量计设定冷却水循环流量。1.3电池表面温度测量电池充放电由亚科源BTS-650-300-2电池循环测试装置控制及实现。电池模块冷却液进出口压降采用SenexDP1300-DP5E22M4B1差压传感器测量。使用K型热电偶测量电池表面及环境温度，电池表面温度测试点布置如图2所示。热电偶及差压传感器与安捷伦34970A数据采集装置相连接，每10s采集并存储一次。流量计为DK-800-6F型液体流量计，最小流量为16L/h，分辨率为8L/h。电池模组内还装配有电池保护电路板，用于平衡电池单元之间的电流，防止电池的过充和过放。1.4误差分析实验的主要误差来源为热电偶测量温度和差压传感器测量压降产生的误差。K型热电偶测得的温度为T式中：∆p为进出口压降；I为电流；Q1.5放电测试结果电池充电过程采用恒流恒压（CC-CV）方案，先以恒流充电直至电池电压达到4.2V，然后保持电压恒定，继续充电直到电流降至1/30C。放电过程采用恒流方案，放电至电池电压为3V时截止。实验在25℃的室内环境中进行，由空调机组来实现环境温度控制。每一组测试前，先启动热管理系统并运行一定时间，当电池组温度与环境温度一致时开始进行充电测试，充电过程结束后继续将电池组充分冷却到环境温度，再开始进行放电测试。电池组以0.5C、1C、1.5C和2C倍率进行充放电运行，每个充放电倍率下热管理系统的冷却水流速依次递增，如表4所示。各个流速和倍率下单次充电和单次放电各为一组测试，共进行26组测试，并进行重复性验证。2冷却水流量对电池最高热管理效益的影响图3、图4分别给出了在0.5C充放电时未启动水冷循环（冷却水流速为0L/h）以及启动水冷循环（冷却水流速为16L/h、32L/h和48L/h）时电池模组温度值随SOC和放电深度（depthofdischarge,DOD）的变化。启动水冷循环后，电池温度比未启动水冷循环时有较大幅度的降低，充电时最高温度由T图5～图7分别给出了1C、1.5C和2C倍率充放电过程中电池温度的变化。由图5可见，1C倍率充电过程的梯状温度曲线平稳段比0.5C倍率更短且呈上扬趋势，随着冷却水流速增大，温度上升越缓慢，平稳段也越长。由图6和图7可见，1.5C和2C倍率充电过程的温度曲线逐渐呈现三角形状，恒流充电阶段（对于1.5C,SOC<0.5；对于2C,SOC<0.38）电池温度随着SOC的增大而单调递增，进入恒压充电阶段后，随着充电电流缓慢减小，电池产热速率逐渐减少，温度小幅上升达到高点之后开始降低。随着冷却水流速的增大，温度最高点越低且越早出现。图8给出了各倍率（0.5C、1C、1.5C和2C）充放电过程中电池模组的最高温度和最大温差随冷却水流速的变化，可见最高温度和最大温差均随着冷却水流速的增大而降低。由图8a可见，对于0.5C充放电过程，冷却水流速由16L/h提高到32L/h带来的最高温度下降的幅度明显大于由32L/h提高到48L/h的结果。而对于1C、1.5C以及2C充放电过程，电池最高温度与冷却水流速几乎呈线性递减趋势，且斜率随着充放电倍率的增大而减小。以上结果表明，增大冷却水流速对电池冷却效果存在边际效应，在低倍率充放电（本实验中为0.5C）情况下边际效应更明显。由图8b可见，对于各倍率充放电过程，提高冷却水流速都有助于减小电池最大温差，增强电池模组间的温度一致性。可见，虽然在高倍率充放电时增大冷却水流速对电池最高温度降低的效果有所减弱，但对提升电池模组内温度一致性仍具有较好的效果。为了分析增大冷却水流量所带来的热管理收益和泵功消耗之间的关系，确定各充放电倍率下最优的冷却水流量，本文定义热管理效益值（η）为在相同充放电倍率下，增大冷却水流量时，电池最高温度的下降值与泵功增加值之间的比值，即：其中：T各充放电倍率及冷却水流量下的η如图9所示。由于电池的特异性以及温度测量误差的存在，部分条件下η出现了负值的情况。整体上，在相同倍率的充放电条件下，η随着冷却水流量的增大而减小；在0.5C充放电时，后一次增大流量（从32L/h增到48L/h）的η比前一次（从16L/h增到32L/h）有较大幅度的下降，而且各倍率下前后两次增大流量的η下降幅度随着充放电倍率的增大而降低。此外，η整体上也随着充放电倍率的增大而减小。以上结果表明，随着充放电倍率的增大，增大冷却水流量带来的热管理效益值有所降低，而在低倍率条件下，热管理效益值也随着冷却水流量的增大而大幅下降。因此，从热管理收益和泵功消耗的角度综合考虑，在满足电池热安全和温度一致性指标的前提下，冷却水以低流量为优。3冷却水流速对电池最高温度和最大差值的影响基于多通道蛇形波纹管液冷式热管理系统，以200个18650锂离子电池组成的动力电池模组为热管理对象，对不同热负荷条件下的冷却液流量、热管理效果及最优热管理方案进行了实验研究。主要结论如下：(1）本文提出的热管理系统对动力电池在各种充放电应用条件下都具有较好的热管理效果，电池最高温度和最大温差基本可控制在40℃以下和5℃以内。(2）增大冷却水流速有助于降低电池最高温度，但下降的趋势随流速增大逐渐减缓。0.5C倍率下流速由16L/h增大至32L/h，电池最高温度下降3℃，继续增大流量至48L/h后，下降0.5℃；倍率上升至2C，其减缓斜率减小，而系统运行所消耗的泵功增加，导致了热管理收益随冷却水流速增大而大幅降低。(3）增大冷却水流速有助于减小电池最大温差，增强电池模组间的温度一致性。虽