本田Clarity燃料动力电池堆温度评价技术

燃料动力锂电池堆中单体电压一致性较差通常与温度一致性较差有关(端侧电池与中区电池温差较大)。采用传统计算机仿真技术评估上百片燃料动力锂电池单体层叠形成的电堆温度分布，通常计算资源巨大。本文分享本田汽车公司开展的Clarity燃料动力锂电池堆温度分布评估研究。

本田汽车公司旗下2016版Clarity燃料动力锂电池汽车全球开创性使用双电池单元结构(3片单极板+2片MEA)，组成独特的冷却结构。2016版Clarity燃料动力锂电池汽车沿用本田上一代FCX-Clarity燃料动力锂电池电堆波纹形流场设计，进气形式采用水平逆流波纹形流场(相比上一代垂直波纹形流场)。2016版Clarity燃料动力锂电池堆由多片燃料动力锂电池单体、绝热板、集流板、绝缘板、端板和壳体等组件构成。为保持电堆温度一致性和提高低温环境适应性，端侧燃料动力锂电池单体(最外侧燃料动力锂电池)和集流板之间布置有绝热板(Thermalinsulatorplate)。

与电堆壳体接触的端侧燃料动力锂电池易向壳体、大气环境释放热量，导致端侧燃料动力锂电池温度低于电堆中区(中部区域)燃料动力锂电池。当端侧与中区膜电极温度相差较大，端侧电池中冷凝(condensate)现象较为明显。上述现象是引起燃料动力锂电池堆电压不一致性中的一个重要因素。为降低端侧与中区电池温度差异，既要提高壳体部件的绝热性能，又要通过与冷却剂热交换、载流部件产热来向电池供应一定热量。综上所述，冷却散热每个燃料动力锂电池单体、将端电池温度控制在合适水平(所有工况下)是燃料动力锂电池堆热设计的重要考虑因素。

本田汽车公司在开发燃料动力锂电池堆过程中已成熟的应用计算机仿真技术，通过对商业化软件进行原始修改来估算发电过程中燃料动力锂电池内部环境。和一般燃料动力锂电池仿真技术相同，由于要评估平面方向上包括压力、温度和膜电极含水量等参数，导致了除温度以外仍需其他参数的大面积计算问题。采用传统计算仿真技术评价端电池和中部电池温差有两种方法：1.对单电池，在电池厚度方向上向输入参数项新增一个散热项，关注端电池即可；2.对形成燃料动力锂电池堆的所有单体和壳体组件进行耦合计算。第一种方法尚未考虑电堆中多片电池串联导致的温降，不适合高精度评估；第二种方法虽可以高精度预测端电池温降，但需大规模计算。本田汽车公司在不进行大规模计算前提下，高精度估算出Clarity燃料动力锂电池堆层叠方向任一位置处的膜电极温度。

计算方法验证

2016版Clarity燃料动力锂电池汽车电堆的水气流动方向如下图所示，空气和冷却剂流动方向相同，氢气则相反。氢气、氧气和冷却剂是发电过程中影响散热的三种换热媒介。通过电堆进出口的温度变化和物理性质值(热容和流量)计算换热量，可以确定电流密度分别为0.03A/c㎡、0.1A/c㎡、0.3A/c㎡、0.7A/c㎡、1.5A/c㎡发电条件下换热媒介的重要热交换系数。

下图为不同电流密度工况下氢气(空气)与冷却液的热交换量比值。结果表明，氢气和空气的热交换量与冷却液热交换量比值最大在3%左右。两种气体和冷却液热交换量比值大小取决于电堆电流密度(因为气体和冷却液的进口温度和流速均不等)。注意，电堆端侧氢气热交换量负值是因为电堆结构导致，即氢气流动方向和冷却液相反。

膜电极的温度变化重要受热传导(平面方向)和热传递(厚度方向)影响，如下图所示。当膜电极平面方向热传导最为显著时，膜电极平面方向温度分布较均匀(不受冷却液从电堆入口到出口的温度梯度影响)。相反，当膜电极厚度方向热传递最为显著时，膜电极平面温度分布随进出电堆冷却液温度梯度变化。

本田汽车公司在2016版Clarity燃料动力锂电池汽车电堆温度分布研究中选取了电堆中区燃料动力锂电池单体的3个测量点(依冷却液前进方向分进口、中间和出口)，运行条件为0.1A/c㎡电流密度暖机工况。下图分别为测量点示意图和温差图(进口温度作为基准)。结果表明，膜电极平面方向温度分布和冷却液温度分布相同。换言之，膜电极温度与膜电极和冷却剂之间的热交换量紧密相关，而与其平面方向的热传导次相关。

综上所述，氢气(空气)和燃料动力锂电池堆热交换量和膜电极平面方向的热传导等因素对膜电极温度影响较小，可以忽略不计。因此，可以将每个组件在电池平面方向上集中为一点。本田汽车公司之前已经对2016版Clarity燃料动力锂电池平面方向温度分布进行了研究，本次计算机仿真技术考察对包括壳体组件在内的电堆层叠方向的温度分布。虽然三维尺度下的相关参数对计算结果有着不可忽视影响，如雷诺数(表征湍流强度)，但其计算量庞大。因此，除了通用的计算方程和物理参数外，本田汽车公司基于大量实验基础数据在计算模型中加入了修正项，确保计算进度较高和计算量较小。经过充分考虑传感器误差和波动，实验与仿真比较后发现，温度评估精度和实验值相差±5%。

计算仿真结果

仿真计算中选取电流密度分别为0.03A/c㎡、0.3A/c㎡、0.7A/c㎡、1.5A/c㎡的车用典型工况。比较中区电池、端电池和端板处温度的实验与仿真结果可以发现，每种稳态工况下仿真结果最大温度误差与实验值相差3.7%，吻合良好，表明燃料动力锂电池堆层叠方向的瞬态热传递仿真不局限于特殊运行工况，适用于从低负荷到高负荷的全操作窗口。

使用传统的二维或三维计算机仿真工具，要使用工作站级别的计算资源。通常，仅燃料动力锂电池堆中单片中区电池暖机工况的计算就要花费数天甚至更久。相反，本田汽车公司采用的该电堆层叠方向温度仿真计算技术，使用一台笔记本即可，仅需60s。即使涉及到电池平面多个点计算，完成整个仿真也花费几分钟左右。