通道化液流冷却的全尺寸圆柱形电池组的热模型外文翻译资料

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通道化液流冷却的全尺寸圆柱形电池组的热模型

摘要：本文进行了旨在提高电动汽车电池组热性能的数值研究，它是对具有22个模块（总共包含5664、18650型锂离子电池）的全尺寸电池组进行的，该模块通过通道的液流冷却。电池的热量是根据实验测量结果建模的。首先用一个典型的电池组模块（由180个电池组成）进行实验，以指定的液体流速在不同的C速率（2C，1C或0.5C）下进行充电和放电。有关电池模块最高温度的实验结果与相应的数值预测非常吻合，证明了所开发模型的可靠性/保真度和随之而来的准确性。然后，对电池热管理系统进行微调，以重新管理模块之间的流量分配，以提高整个电池组的热均匀性。广泛研究了不同充放电C速率和流量对电池组热性能的影响，结果表明电池组在1C / 0.5C充/放电操作期间的热性能良好，流体流速为18升/分钟增加放电/充电C率会恶化电池组的热特性，而增加冷却液的流量会使电池组性能更好。

关键词：锂离子电池；全尺寸电池组；热模型；波浪通道液体冷却；数值模拟

1. 引言

锂离子电池（LIB）以化学能的形式存储电能用于输出，被认为是汽车应用的最强候选者。电动汽车（EV）越来越受到公众的青睐，在可预见的将来，其销售可能会取代那些装有常规汽油或柴油内燃（IC）发动机的道路车辆。但是，在大规模商业化满足广泛客户的需求之前，电动汽车仍面临着数项重大技术挑战，特别是与热管理有关的技术挑战，应适当解决这些问题[1]，[2]。

电动汽车的核心是电池组，它可以由许多单个LIB组成。例如，Tesla Roadster的电池组包含6831 18650型Panasonic LIB。电池组由11个串联的“板”组成，每个“板”通常由9个串联的模块（“砖”）组成，每个模块具有69个并联的电池单体。在电池组中，建议电池在20–45 C的温度范围内工作，以在使用寿命和安全方面取得最佳效果。此外，电池组两端的温度应尽可能保持一致[3]。如果不满足此条件，电池最终将遭受不良后果，例如，电动汽车的可靠性和耐用性下降，循环寿命降低[4]，热失控[5]，[6]和火灾爆炸[7]，[ 8]。因此，需要先进的电池热管理系统（BTMS）来解决这些对道路电动汽车的热影响[9]，[10]，[11]。

BTMS为有效消除产生的热量，应充分集成并与电池组内部的LIB紧密接触。因此，关于电池几何形状的封装配置，在进行BTMS设计时应仔细考虑。 LIB配置通常为圆柱形，袋形和棱柱形。后两种类型在电动汽车中是首选的，主要是因为它具有相对较大的比表面积-提供增强的散热性，因此易于进行热控制[12]，[13]。就散热能力而言，圆柱型LIB是这三种类型中最差的。即便如此，由于其成熟的制造工艺和技术，低成本和高可靠性，圆柱形LIB，特别是18650型仍被广泛使用。在这种情况下，尽管在散热方面存在不足，但在本项特殊研究中，针对圆柱型LIB设计了将高效冷却策略纳入BTMS。

BTMS中使用的单相冷却剂是空气[14]，[15]，[16]和液体[17]，[18]，[19]，而相变方法包括例如热管[20]和相变材料（PCM）[21]。还报道了这些方法的某种组合[22]，[23]。空气冷却最有可能是最简单的散热方法。然而，空气的热容量和热导率低，这极大地限制了其冷却能力。因此，为了使空气成为可行的冷却剂，应将热传递模式设为强制对流，这需要使用风扇，但会消耗一些额外的功率。热管方法是有前途的。然而，其操作对重力的依赖性可能使其不适用于在不同高度/风景下行驶的电动汽车。 PCM可有效地存储热量，但通常需要相当大的空间，这阻碍了它们的使用。相比之下，由于液体BTMS被认为是圆柱形电池组的合适解决方案，这是由于液体（通常是水或水与乙醇的混合物）的热容量和导热率比空气要高，此外的可靠性和紧凑的结构。

近年来，有大量的研究，特别是使用数值工具来研究圆柱形LIB电池组的液体冷却热管理。 但是，到目前为止，进行的仿真工作很少涉及全尺寸电池组的热分析，这是由于当前模型无法满足固有的大量计算需求而导致的。

旨在预测电池热行为的现有数值模型[24]主要基于电化学热（ECT）耦合模型[25]，[26]，[27]，电热（ET）耦合模型[28]。 [29]或仅基于经验或半经验热模型[16]。由电化学反应和电流分布决定的发热速率至关重要，它取决于时间和温度。 ECT模型涉及详细的电极反应，电荷转移，物质扩散和热能守恒，而ET模型采用等效电路网络与能量守恒方程耦合。这两类模型能够精确预测LIB的实际特征。但是，它们对于大幅面电池组在计算上过于昂贵。自从过去的十年以来，研究工作[30]已经广泛地用于电池组或一组单个电池的热建模，例如，Mahamud等人[16]模拟了一个由40个LIB组成的模块，该模块均匀且对称地容纳在管道系统中。通过往复的气流（流动方向的周期性逆转）直接冷却模块，这可以大大减轻电池组之间的固有温差。结果表明，通过使用120 s的往复运动周期，最大温度和温差可以分别保持在28.1 C和1.5 C以下。 Li等 [18]研究了一个由32个电池组成的小包装，它们串联排列，然后将其放置在开放式喷气风洞的测试区中，并通过气流冷却。结果表明，通过使用5 m / s的进气速度（大约3.6 kg / s的质量流量或46.8 L / min的体积流量）可以成功地将电池组保持在28.6 C下。赵等 [31]数值研究了水流冷却的电池模块。该模块包含40个42110型LIB，每个电池都封装在圆柱形液体盒中。所有的LIB都被流量分配/收集板夹在中间。产生的热量被传递到循环水中，并最终被外部热交换器清除。结果表明，模块中的最大温度和温差分别可以低于40°C和5°C。

尽管上述工作对电池组或模块建模做出了巨大贡献，但它不能直接扩展到全尺寸电池组建模；因此，仍然需要开发全尺寸热模型。 LIB的热模型可以按层次划分为：电池级别，模块级别和电池组级别。 在电池级别，可以考虑电池的配置，尺寸和容量，其组件和材料以及单个电池内部的热历史和分布； 在模块级别，关于冷却剂和冷却策略以及模块形状的决定需要严格的分析； 但是，在电池组一级，应主要考虑许多因素，例如电路网络连接，泵/风扇的功耗以及模块中冷却液的流量分配。

通过对装有5664 18650型LIB（包含22个模块）并通过通道液体流动冷却的电池组进行热分析，当前工作为全尺寸EV电池组的仿真做出了贡献。 模拟取决于先前开发的热模型[32]。首先将介绍由物理布局及其BTMS以及数学/数字描述组成的电池组模型。然后，对包装的典型模块进行模型的实验验证，以检查其可靠性和准确性。第三，它提出了一种改进的冷却液通道歧管设计，旨在在整个电池组中实现更好的流量分配，这是这项工作的另一主要贡献，除了用于全尺寸电动汽车电池组的仿真模型。 最后，我们研究了放电/充电C速率和冷却液流速对电池组热特性的影响。

2.1包装的物理结构和几何尺寸

在这项工作中，电池组由5664个18650型LIB组成，其电气配置为96S59P，这意味着电池组由96个串联的“砖”组成，每个“砖”包括59个并联的电池。该包装包含22个独立的模块，所有模块均通过引导的液体流进行冷却。图1显示了包装的物理结构和尺寸，以及基于液体的BTMS。包装的总长和宽分别为1500mm和1070mm。两个单独区域（即区域A和区域B）中的LIB层数不相等，区域A和区域B中的总高度分别为170 mm和150 mm。 BTMS微型通道由铝合金制成，微型通道侧壁的厚度为0.5mm。图1右下角的放大图显示了接头连接以及微

型通道的横截面。可以注意到，有六个独立的子通道，并且对于每个单独的子通道，流动通道的长度和宽度分别为5 mm和2 mm。

图1.模拟的LIB电池组和冷却剂流动路径的示意图（红色箭头：热流体；蓝色箭头：冷流体）。

电池组需要在各种操作模式和天气条件下对每个部分进行均匀冷却。为便于分析和讨论，该电池组的22个模块已编号，如图1所示。该电池组是为真实EV设计的。由于车辆底盘的限制，电池组被分成两个分支的冷却剂流区域。不同区

域中的模块包含不同数量的电池。在A区中，模块（1-4、7-10）具有相同的排列，每层都是8层堆栈（从上到下的每一层都有32、33、33、34、35、36、36和37个电池），总共包含276个电池；类似地，模块（5、6）包含288个具有8个对齐层的电池，分别具有32、33、33、34、35、36、36和37个电池。在区域B中，模块（11、22）每个都有10层180电池，每层有13、13、19、18、20、19、20、19、20、19。模块（12–21）每个由252个电池组成，这些电池堆叠成10个堆叠层，分别包括21、21、25、24、27、26、27、26、28、27个LIB。对于每个模块，所有电池都被完美安装的波浪形微型通道覆盖。相应的四个迷你通道的结构/形状如图2所示。

图2.四个具有不同结构布局的波浪形迷你通道。

表1中列出了冷却剂，波浪形微型通道和电池的热物理性质。为防冻，使用的冷却剂是水（47％）和乙二醇（53％）的混合物。 波浪形微型通道由铝制成。 另外，在本工作中，它还选择了带有NCA（镍钴铝合金）的商用18650型LIB（N18650CL，由深圳比克电池有限公司生产，质量重量47.0mu;g，内阻le;35mu;mOmega;）。 阴极。 标称容量为2.75 Ah。

表1.工作流体，波浪形微型通道和电池的热物理性质。

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