电动汽车快速充电循环下锂离子软包电池的优化冷却和热分析

来源|Journal of Energy Storage

01背景介绍

锂离子电池由于比其他电池类型具有更高的优势，例如高能量密度、低自放电率、重量轻、零记忆效应和长生命周期，因此在汽车行业中变得无处不在。然而，锂电池在一个狭窄的温度范围内工作最佳：15–40°C。在低于此范围的温度下，电解质中的离子电导率会显着降低，从而导致功率输出降低、锂电镀和随后的电池退化，而在更高的温度下，加速的放热反应会导致电池材料腐蚀、整体电池退化，并在 80°C 以上的温度下导致热失控。除了将温度保持在一个狭窄的工作范围内，保持电池单元或模块内的最大温差较低也很重要；<5°C 的值是电池内推荐的最大温差。

目前，大多数关于电池冷却设计和优化的研究工作都集中在圆柱形和棱柱形电池上。最近，袋形电池因其比圆柱形电池更高的能量密度而受到关注。目前，已经提出了各种用于冷却锂离子电池的热管理系统：空气冷却、间接液体冷却、直接液体或浸没冷却、使用相变材料、热管以及涉及两种或多种这些方法组合的混合方法进行被动冷却。然而，就电动汽车的商业应用而言，只有风冷和液冷已大规模实施，其他还处于研究阶段。由于其高热容量，液体冷却仍然是迄今为止最有效和研究最多的系统；因此，当前的研究趋势是寻找改进液冷板设计的方法，以实现更好、更具成本效益的热控制。

02成果掠影

近期，路易斯维尔大学机械工程系Sam Park教授团队提出了一种电动汽车快速充电循环下锂离子软包电池的优化冷却和热分析方法。本研究使用多域建模方法对采用 1P4S 配置（1 个并联和 4 个串联电池）的商用 65 Ah 软包电池进行热分析。该研究旨在分析四种不同冷却配置的热行为，即具有环境冷却的单电池、具有环境冷却的 1P4S、仅具有底部液体冷却的 1P4S 和具有两侧液体冷却的 1P4S。Newman、Tiedemann、Gu 和 Kim (NTGK) 模型用于小尺度电化学建模，而计算流体动力学(CFD) 用于分析电动汽车常用的不同快速充电速率期间的热行为。

研究结果表明，使用两个流动方向相反的冷却板而不是单侧冷却可将最大温差从 10°C 降低 50% 至 5°C，并将充电期间的最高温度降低 7°C，为 1.98°C。这表明使用两侧液冷可以显着改善电池的热性能，这对于快速充电和整体电池性能至关重要。这项研究对行业的意义重大，因为它提供了有关如何改进电动汽车电池组的设计和热管理的见解。通过使用多域建模和 CFD 分析，电池制造商可以优化其电池组的设计，以改进热管理，降低热失控风险，并提高电池性能和寿命。这可能会导致开发出更可靠、更高效的电动汽车，从而有助于加速电动汽车在全球的普及。

研究成果以“Optimized cooling and thermal analysis of lithium-ion pouch cell under fast charging cycles for electric vehicles”为题发表于《Journal ofEnergy Storage》。

03图文导读

图1 (a) NGTK模型电压预测与不同电池放电速率下实验数据的对比，底部冷却通道的(b) 1P4S模块，顶部和底部冷却通道的(c) 1P4S模块，底部冷却通道的1P4S模块的(d)网格独立性研究，(e)顶部和底部冷却通道的1P4S模块的网格独立性研究。

图2 单个电池的恒流充电显示(a)最高温度，(b)温差和(c)产热速率。单个电池在1.98C充电期间的温度分布显示在时间步长：(d)为50s(e)1000s(f)1330秒。

图3 比较1P4S (a)最高温度、(b)温差和(c)在不同碳速率下的热产生率。在(a) 50s (b) 1000s (c) 1330s下，充电1.98C时1P4S的温度分布。

图4 1P4S模块的底部冷却显示：(a)最高温度，(b)温差，以及不同碳速率下的(c)产热速率。1P4S模块的顶部和底部冷却显示：(d)最高温度，(e)温差和(f)不同碳速率产生的热量。

图5 在(a) 50 s充电1.30s，(b)1000s(c)2440s时，1P4S的温度分布。在(d) 50 s (e) 1000 s和(f) 2440 s的条件下，充电1.30C时1P4S的温度分布。

图6 底部和上部冷却组件显示：(a)模块最高温度、(b)模块温差、(c)顶板最高温度、(d)顶板温差、(e)底板最高温度和(f)底板温差。

审核编辑：汤梓红