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江铃新能源-电池包冷却水进水温度控制策略对比研究
2021-11-12 14:24:23· 来源：电动学堂 作者：沈祖英等
文章来源：江西江铃集团新能源汽车有限公司引言随着新能源电动汽车市场的扩大化，大多数车企追求电池高比能量密度、长续航里程而导致发生了纯电动汽车起火燃烧事
文章来源：江西江铃集团新能源汽车有限公司
引言
随着新能源电动汽车市场的扩大化，大多数车企追求电池高比能量密度、长续航里程而导致发生了纯电动汽车起火燃烧事件。传统的电池包冷却介质是空气和液体，它们的散热效率比较抵，易产生漏液，受环境温度影响较大；而进水温度控制策略是采用结构体积小、温度均匀性好、散热性能高的相变材料，也是推动质量需求、量产保证、新品质量保证的电动汽车逐渐向着电动化、智能化、现代化的趋势发展。
1温度控制的确定范围
温度控制分为恒定进水温度控制和变进水温度控制两方面，下面重点阐述纯电动汽车电池包恒定进水温度20℃和变进水温度（函数温度最大值减去11℃）在降温速率、温差、能耗方面的开发及应用。
2 进水温度的研究方法
2.1 物理模型
电池包进水温度控制是“动力电池的物理模型，数学模型、计算条件”三个角度的研发开始，其中物理模型以一种A0级车型项目动力电池温控系统全模型为例，如图I所示，它由三路并联形式组成。由于三路并联冷却，互不影响，为减少计算网格，现采用仿真技术分析只对下层一路进行分析，分析模型如图2所示。
2.1.1 数学模型
任何流动问题都必须满足质量守恒定律，其中包含流体的运动速度、压强、密度、黏度、温度等变量，而这些都是空间位置和时间的函数。一般来说对于一般的流体运动学问题，需要同时结合质量守恒、能量守恒、热力学方程以及介质的材料性质，一同进行数学运算。而能量方程是在考虑密度、温度、内能变化时反映包含内能的能量守恒定律。本文选用一种A0级新能源、车型电池包温度控制策略主要是以质量守恒定律方程如式（1）、能量守恒方程如式（2）为研究方法。
质量守恒方程
式中，ρ是密度kg／m³;u是流速℃／min；u、v、w为质点的速度U的分量。
能量守恒方程
式中，p是流体中一种点压强（Pa·s）；ρ是流体密度kg／m³，u是流体速率（℃／min),k,S，为常量。
2.1.1.1计算条件
一种新能源、汽车A0级车型电池包子系统包括电芯、冷却液、冷板、导热垫片。
它的计算条件分布是：运用材料型号52A·h，密度2200kg／m³，比热容1105J/kg·K，导热系数法向为0.57W/m·k，展向为20.7W1/m·k的电芯；50%的乙二醇型材，密度为107lkg/m³，比热容为3300J/kg•K，导热系数为0.384W/m·k，黏度为0.00394Pa·s的冷却液；材料型号为铝合金、密度为2700kg／m³、比热容为903J/kg•K、导热系数为206W/m·k的冷板；密度为2500kg／m³、比热容为900J/kg·K、导热系数为l.5Wlm·k的导热垫片在1C快充电，环境温度36℃，动力电池系统初始温度36℃时产热由线如图3所示：整个快充时间达到3500s，大概在2000s产生最高热量。
以一种新能源、A0级车型项目电池包全模型为例，采用CFD仿真技术软件计算ABC三路并联水道分支截图流量分配比例，如图4所示，得出简化模型水路流量：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 结果与分析
3.1恒定进水温度分析结果
采用CFD仿真技术分析进水温度恒定为20℃时，1624s后，动力电池系统温度场分布、冷板温度场分布及冷却液速度分布云，如图5所示，电池最高温度30℃，位于电志上部边角处，最低温度21.6℃，位于电芯底部。
动力电池管理系统（BMS）采集的8个温度监测点的位置及变化由线如图6和图7所示。从图中可以看出，在整个
降温过程中，电池温度先升高，最高升至37.3℃，200s后开始下降，最高温度降至30℃（降温截止条件）需要1454s（24min）。各电池温差先增大后减小，700s（12min）温差最大达到2.9℃，随后开始降低，最终温差2.5℃。单体电池内部温差变化如图8所示，先升高后降低，最大达到9.7℃。
3.1.1变进水温度分析结果
采用CFD仿真技术分析进水温度为随电池最高温度变化的函数时（Tmax-11),2702s后，动力电池系统温度场分布、冷板温度场分布及冷却液速度分布云，如图9所示。电池最高温度30℃，位于电芯上部边角处；最低温度20.5℃，位于电芯底部。
运用CFD仿真技术分析进水温度为变化值时，动力电池管理系统（BMS）采集的8个温度变化由线如图10所示。从图中可以看出，在整个降温过程中，电池温度先升高，最高升至37.4℃，200s后开始下降，最高温度降至30℃（降温截止条件）需要2550s（42.5min）。各电池温差持续增大，最终温差2.3℃。单体电池内部温差变化如图11所示，先升高后降低，最大温差6.3℃，后期稳定在5℃左右。
3.1.1.1两种进水温度控制策略对比分析
运用CFD仿真技术分析一种新能源A0级车型动力电池在两种温度控制策略下的降温速率分布曲线，如图12所示；电池单体问温差分布由线，如图13所示；单体内部温差的对比由线，如图14所示。在两种进水温度控制策略下，从降温速率、电池单体问温差及单体内部温差的对比由线可以看出，恒定进水温度（策略A）情况下，电池最高温度降至截止温度时需24min，变进水温度（策略B）情况下需42.5min；策略A情况下，电池单体问温差最大2.9℃，单体内部温差最大接近10℃；而策略B情况下，电池单体问温差最大2.3℃，单体内部温差5℃左右。
4 结论
一种新能源汽车A0级车型电池包恒定进水温度（20℃）降温速率0.25℃／min，变进水温度（Tmax-11）降温速率0.14℃／min，恒定进水温度（20℃）较于变进水温度（Tmax一11）在降温速率方面快44%。恒定进水温度（20℃）单体问温差2.9℃，变进水温度（Tmax-11）单体间温差2.3℃；恒定进水温度（20℃）单体问温差9.7℃，变进水温度（Tmax-11）单体问温差6.3℃。
在温差方面，变进水温度控制策略对电池温差的控制优于恒定进水温度控制策略，在电池单体内部温差方面体现明显。电池单体内部温差小，有利于延迟电池循环寿命。恒定进水温度能耗2.5lkW·h，变进水温度能耗3.06kW·h；在能耗方面，变进水温度控制策略虽然降温时间长，但平均制冷功率小，整个降温过程能耗与恒定进水温控控制策略相比，相差不大。
各大新能源汽车企业对电池单体温度的差异严格控制，进水策略中进水温度将取决于电池单体之间的最大温差。随着5G技术的到来，控制系统与传感器之间的数据通信将更加快捷，使得变进水温度的进水策略成为现实。
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