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江鈴新能源-電池包冷卻水進水溫度控制策略對比研究
2021-11-12 14:24:23· 來源：電動學(xué)堂 作者：沈祖英等
文章來源：江西江鈴集團新能源汽車有限公司引言隨著新能源電動汽車市場的擴大化，大多數(shù)車企追求電池高比能量密度、長續(xù)航里程而導(dǎo)致發(fā)生了純電動汽車起火燃燒事
文章來源：江西江鈴集團新能源汽車有限公司
引言
隨著新能源電動汽車市場的擴大化，大多數(shù)車企追求電池高比能量密度、長續(xù)航里程而導(dǎo)致發(fā)生了純電動汽車起火燃燒事件。傳統(tǒng)的電池包冷卻介質(zhì)是空氣和液體，它們的散熱效率比較抵，易產(chǎn)生漏液，受環(huán)境溫度影響較大；而進水溫度控制策略是采用結(jié)構(gòu)體積小、溫度均勻性好、散熱性能高的相變材料，也是推動質(zhì)量需求、量產(chǎn)保證、新品質(zhì)量保證的電動汽車逐漸向著電動化、智能化、現(xiàn)代化的趨勢發(fā)展。
1溫度控制的確定范圍
溫度控制分為恒定進水溫度控制和變進水溫度控制兩方面，下面重點闡述純電動汽車電池包恒定進水溫度20℃和變進水溫度（函數(shù)溫度最大值減去11℃）在降溫速率、溫差、能耗方面的開發(fā)及應(yīng)用。
2 進水溫度的研究方法
2.1 物理模型
電池包進水溫度控制是“動力電池的物理模型，數(shù)學(xué)模型、計算條件”三個角度的研發(fā)開始，其中物理模型以一種A0級車型項目動力電池溫控系統(tǒng)全模型為例，如圖I所示，它由三路并聯(lián)形式組成。由于三路并聯(lián)冷卻，互不影響，為減少計算網(wǎng)格，現(xiàn)采用仿真技術(shù)分析只對下層一路進行分析，分析模型如圖2所示。
2.1.1 數(shù)學(xué)模型
任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律，其中包含流體的運動速度、壓強、密度、黏度、溫度等變量，而這些都是空間位置和時間的函數(shù)。一般來說對于一般的流體運動學(xué)問題，需要同時結(jié)合質(zhì)量守恒、能量守恒、熱力學(xué)方程以及介質(zhì)的材料性質(zhì)，一同進行數(shù)學(xué)運算。而能量方程是在考慮密度、溫度、內(nèi)能變化時反映包含內(nèi)能的能量守恒定律。本文選用一種A0級新能源、車型電池包溫度控制策略主要是以質(zhì)量守恒定律方程如式（1）、能量守恒方程如式（2）為研究方法。
質(zhì)量守恒方程
式中，ρ是密度kg／m³;u是流速℃／min；u、v、w為質(zhì)點的速度U的分量。
能量守恒方程
式中，p是流體中一種點壓強（Pa·s）；ρ是流體密度kg／m³，u是流體速率（℃／min),k,S，為常量。
2.1.1.1計算條件
一種新能源、汽車A0級車型電池包子系統(tǒng)包括電芯、冷卻液、冷板、導(dǎo)熱墊片。
它的計算條件分布是：運用材料型號52A·h，密度2200kg／m³，比熱容1105J/kg·K，導(dǎo)熱系數(shù)法向為0.57W/m·k，展向為20.7W1/m·k的電芯；50%的乙二醇型材，密度為107lkg/m³，比熱容為3300J/kg•K，導(dǎo)熱系數(shù)為0.384W/m·k，黏度為0.00394Pa·s的冷卻液；材料型號為鋁合金、密度為2700kg／m³、比熱容為903J/kg•K、導(dǎo)熱系數(shù)為206W/m·k的冷板；密度為2500kg／m³、比熱容為900J/kg·K、導(dǎo)熱系數(shù)為l.5Wlm·k的導(dǎo)熱墊片在1C快充電，環(huán)境溫度36℃，動力電池系統(tǒng)初始溫度36℃時產(chǎn)熱由線如圖3所示：整個快充時間達到3500s，大概在2000s產(chǎn)生最高熱量。
以一種新能源、A0級車型項目電池包全模型為例，采用CFD仿真技術(shù)軟件計算ABC三路并聯(lián)水道分支截圖流量分配比例，如圖4所示，得出簡化模型水路流量：主水路A，占流量43.4%；主水路B，占流量42.5%；主水路C,占流量14.1%。
3 結(jié)果與分析
3.1恒定進水溫度分析結(jié)果
采用CFD仿真技術(shù)分析進水溫度恒定為20℃時，1624s后，動力電池系統(tǒng)溫度場分布、冷板溫度場分布及冷卻液速度分布云，如圖5所示，電池最高溫度30℃，位于電志上部邊角處，最低溫度21.6℃，位于電芯底部。
動力電池管理系統(tǒng)（BMS）采集的8個溫度監(jiān)測點的位置及變化由線如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，在整個
降溫過程中，電池溫度先升高，最高升至37.3℃，200s后開始下降，最高溫度降至30℃（降溫截止條件）需要1454s（24min）。各電池溫差先增大后減小，700s（12min）溫差最大達到2.9℃，隨后開始降低，最終溫差2.5℃。單體電池內(nèi)部溫差變化如圖8所示，先升高后降低，最大達到9.7℃。
3.1.1變進水溫度分析結(jié)果
采用CFD仿真技術(shù)分析進水溫度為隨電池最高溫度變化的函數(shù)時（Tmax-11),2702s后，動力電池系統(tǒng)溫度場分布、冷板溫度場分布及冷卻液速度分布云，如圖9所示。電池最高溫度30℃，位于電芯上部邊角處；最低溫度20.5℃，位于電芯底部。
運用CFD仿真技術(shù)分析進水溫度為變化值時，動力電池管理系統(tǒng)（BMS）采集的8個溫度變化由線如圖10所示。從圖中可以看出，在整個降溫過程中，電池溫度先升高，最高升至37.4℃，200s后開始下降，最高溫度降至30℃（降溫截止條件）需要2550s（42.5min）。各電池溫差持續(xù)增大，最終溫差2.3℃。單體電池內(nèi)部溫差變化如圖11所示，先升高后降低，最大溫差6.3℃，后期穩(wěn)定在5℃左右。
3.1.1.1兩種進水溫度控制策略對比分析
運用CFD仿真技術(shù)分析一種新能源A0級車型動力電池在兩種溫度控制策略下的降溫速率分布曲線，如圖12所示；電池單體問溫差分布由線，如圖13所示；單體內(nèi)部溫差的對比由線，如圖14所示。在兩種進水溫度控制策略下，從降溫速率、電池單體問溫差及單體內(nèi)部溫差的對比由線可以看出，恒定進水溫度（策略A）情況下，電池最高溫度降至截止溫度時需24min，變進水溫度（策略B）情況下需42.5min；策略A情況下，電池單體問溫差最大2.9℃，單體內(nèi)部溫差最大接近10℃；而策略B情況下，電池單體問溫差最大2.3℃，單體內(nèi)部溫差5℃左右。
4 結(jié)論
一種新能源汽車A0級車型電池包恒定進水溫度（20℃）降溫速率0.25℃／min，變進水溫度（Tmax-11）降溫速率0.14℃／min，恒定進水溫度（20℃）較于變進水溫度（Tmax一11）在降溫速率方面快44%。恒定進水溫度（20℃）單體問溫差2.9℃，變進水溫度（Tmax-11）單體間溫差2.3℃；恒定進水溫度（20℃）單體問溫差9.7℃，變進水溫度（Tmax-11）單體問溫差6.3℃。
在溫差方面，變進水溫度控制策略對電池溫差的控制優(yōu)于恒定進水溫度控制策略，在電池單體內(nèi)部溫差方面體現(xiàn)明顯。電池單體內(nèi)部溫差小，有利于延遲電池循環(huán)壽命。恒定進水溫度能耗2.5lkW·h，變進水溫度能耗3.06kW·h；在能耗方面，變進水溫度控制策略雖然降溫時間長，但平均制冷功率小，整個降溫過程能耗與恒定進水溫控控制策略相比，相差不大。
各大新能源汽車企業(yè)對電池單體溫度的差異嚴格控制，進水策略中進水溫度將取決于電池單體之間的最大溫差。隨著5G技術(shù)的到來，控制系統(tǒng)與傳感器之間的數(shù)據(jù)通信將更加快捷，使得變進水溫度的進水策略成為現(xiàn)實。
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