鋰離子動力電池模塊散熱特性研究

汪陽卿，方 林

鋰離子動力電池模塊散熱特性研究

汪陽卿，方 林

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文對動力電池散熱模塊進行了三維數值模擬，對比分析了空氣冷卻與導熱阻燃油冷卻兩種方案的散熱特性，并對導熱阻燃油冷卻方案的入口流量進行了優化分析。研究表明，導熱阻燃油具有良好的導熱特性及較高的比熱容，對比空氣冷卻能夠明顯降低電池模塊的最高溫度，使溫差得到有效的控制，不同電池單體間溫度均勻性變好，合理增大流量，導熱阻燃油冷卻方案可以使電池組溫度均勻性進一步提高。

動力電池 空氣冷卻 導熱阻燃油冷卻 電池熱管理

0 引言

以電動汽車為代表的新能源汽車與傳統汽車相比具有效率高、調速能力強、噪聲小、無污染等優勢，日益受到青睞，是當前汽車研發的重點方向。動力電池組作為電動汽車的關鍵部件，其性能的好壞直接決定著電動汽車能否安全高效運行。目前電動汽車中使用較為廣泛的動力電池是鋰離子電池，鋰離子電池在充放電過程中產生的熱量如果得不到及時疏散，會導致電池組的溫度持續升高，造成電池的使用性能下降和壽命減損，更為嚴重的是發生熱失控[1]，釀成爆炸等安全事故，因此動力電池組的熱管理研究具有重要意義。

國內外研究者對電池熱管理問題開展了大量研究。Pesaran A.A等[2]通過研究串行通風與并行通風方案的散熱特點，表明并行通風方案對溫度的均勻性提升有明顯意義。Jarrett等[3]研究了蛇行通道冷板在電池熱管理當中的應用。張天時等[4]設計了液流扁管束換熱結構，對電池模塊進行散熱研究。路昭等[5]在空氣冷卻方案中增加了導熱翅片，有效提升了換熱效果。

本文選取了空氣冷卻與導熱阻燃油冷卻這兩種直接接觸式冷卻方案，對簡化的電池組模塊進行了三維模擬，對比了兩種散熱方案對模擬結果造成的影響，得到了不同方案電池組最高溫度及溫差變化，并對導熱阻燃油冷卻方案進行改進對比。

1 計算模型

1.1 物理模型

本文選取的電池組模型為由25節單體電池組成的電池組模塊，單體電池為某18650型圓柱形鋰離子電池，電池模塊整體結構尺寸為118 mm×102 mm×65 mm，相鄰單體電池之間間距為2 mm，設有流體進口和流體出口，見圖1所示。電池熱物性參數如表1所示。

圖1 電池組簡化物理模塊

表1 某18650電池單體熱物性參數

1.2 數值模型

對流體域的控制方程：

質量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

對固體域的控制方程：

帶有內熱源的導熱方程

1.3 網格劃分及邊界條件

圖2 流體域網格劃分

本文假設電池單體發熱穩定，在某特定工況下電池單體熱功率為0.1 W，以體熱源形式加載到固體域材料中，固體域材料物性設置如表1。

流體域材料分別采用空氣和某導熱阻燃油作對比，其中空氣的物性設置直接使用商業軟件Fluent中自帶的數據庫物性，導熱阻燃油物性設置如表2。

表2 某導熱阻燃油熱物性參數

圖3 固體域網格劃分

入口處邊界條件為質量流量入口，為作對比兩種方案均取0.5 g/s，溫度為300 K；出口處采用壓力出口，設為一個大氣壓；流固交界面設為流固耦合邊界條件（interface）；其它壁面假設為絕熱邊界條件。環境初始溫度設為300 K。

本文采用壓力基求解器對電池組冷卻模塊進行瞬態計算，利用SIMPLEC格式進行求解，計算時間步設為7200步，步長取1 s，最大迭代數為20，判斷收斂標準為監測物理量不再隨迭代數發生變化。

2 結果與討論

2.1 不同冷卻方案散熱特性對比分析

圖4為空氣冷卻與導熱阻燃油冷卻兩種冷卻方案下電池表面最高溫度及最低溫度隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看到隨著充放電時間的進行，電池持續放熱，溫度逐漸升高，因為流體的冷卻作用，電池表面溫度上升趨勢逐漸變緩，最終不再隨時間發生大的變化。與空氣冷卻方案相比，導熱阻燃油冷卻方案整體達到穩定的時間更短，可以更快地實現對電池的冷卻。采用空氣冷卻方案時，隨著時間的推進，最終電池表面最高溫度為308.9 K，最低溫度為302 K；對比兩種方案可以明顯看到導熱阻燃油冷卻方案使電池表面溫度得到了明顯的降低，這是因為與空氣相比，導熱阻燃油具有更高的導熱性和更大的比熱容。

圖5為空氣冷卻與導熱阻燃油冷卻兩種方案下，電池組內不同單體電池間最大溫差隨時間的變化曲線。從圖中可以看到，兩種方案電池溫差隨著電池持續發熱都呈現出先增大然后逐漸平緩的發展趨勢，在2000 s之前空氣冷卻方案的溫差比導熱阻燃油冷卻方案的溫差要更小一點，從圖中可以看到這是因為在初始階段導熱阻燃油還未對電池最高溫度的控制充分發揮它的作用，導致了電池最低溫度較小而最高溫度卻沒那么小，這反而造成了其溫差比空氣冷卻溫差大的現象，但是隨著時間的發展，導熱阻燃油冷卻方案的優勢逐漸明顯，與空氣冷卻方案相比，導熱阻燃油冷卻方案使溫差更快的達到平衡狀態，其最大溫差最終為3.1 K，而空氣冷卻方案最終最大溫差達到6.9 K，由于導熱阻燃油的高導熱性，導熱阻燃油方案更有利于電池組模塊溫度的均勻性控制。

圖4 不同冷卻方案電池溫度變化曲線

圖6至7分別為空氣冷卻與導熱阻燃油冷卻兩種方案電池溫度分布云圖。從圖中可以明顯看出與空氣冷卻相比，導熱阻燃油冷卻方案的冷卻性能更優。兩種方案電池單體最高溫度與最低溫度發生位置有所不同，結合圖8至9兩種方案流線分布圖可以看到，空氣冷卻方案最高溫度發生在25號單體電池位置上，最低溫度發生在1號單體電池位置上，從流線分布上看，由于空氣流速較高，更多的空氣直接打在1號角落，導致其溫度較低，而較少的空氣流經25號單體電池所在角落，造成其所在位置溫度較高。導熱阻燃油冷卻方案最高溫度發生在21號單體電池位置上，最低溫度發生在5號單體電池位置上，從流線分布上看，導熱阻燃油流體相比空氣能更均勻的分布在單體電池之間，最低溫度與最高溫度分別發生在進出口位置上。

圖5 不同冷卻方案電池組最大溫差變化曲線

圖6 空氣冷卻方案電池溫度云圖

圖7 導熱阻燃油冷卻方案電池溫度云圖

2.2 不同入口流量對導熱阻燃油冷卻方案散熱特性的影響

通過空氣冷卻方案與導熱阻燃油冷卻方案的對比，可見導熱阻燃油相對空氣具有更大的導熱系數，在很小的流速下就可以有較好的冷卻效果。提高流速即增大入口流量對換熱效果將產生進一步的影響，因此設置了入口流量為1 g/s的算例以作對比。

圖10為不同入口質量流量下導熱阻燃油冷卻方案電池溫度變化曲線。從圖中可以看到增大流量后，由于導熱油流速的增加，換熱能力得到提升，達到平衡的時間更快，3000 s左右電池組最高溫度達到301.8 K之后溫度就不再發生明顯變化，與小流量相比電池組最高溫度和最低溫度都明顯下降。

圖8 空氣冷卻方案流線圖

圖9 導熱阻燃油冷卻方案流線圖

圖10 不同入口流量下導熱阻燃油散熱方案電池溫度曲線

圖11為不同入口質量流量下導熱阻燃油冷卻方案電池組最大溫差變化曲線。從圖中可以看到，隨著流動的進行，溫差先上升然后逐漸達到穩定，流量增大之后由于流速的增加使流體的換熱能力得到增強，在導熱油流動換熱的作用下，電池組不同位置的溫度分布變得更加均勻，不同電池單體間溫差得到了有效的控制。

3 結論

本文建立了電池組冷卻模塊三維數值模型，對比研究了空氣冷卻和導熱阻燃油冷卻兩種不同冷卻方案對電池組散熱特性的影響，并分析了不同入口流量對導熱阻燃油冷卻方案散熱的影響，得到如下結論：

1）由于導熱阻燃油相對空氣而言，具有高導熱性和高比熱容的優勢，其散熱效果與空氣冷卻方案相比明顯變好，電池組最高溫度顯著降低。導熱阻燃油具有阻燃作用，使系統的安全性得到提高。

2）導熱阻燃油方案與空氣冷卻方案相比，對電池組模塊溫度均勻性更有利，導熱系數更大的導熱油能夠有效降低不同電池單體之間的溫差，電池組溫度的均一性提高，使電池性能得到有效保護。

3）與空氣冷卻相比導熱阻燃油在較低的流速下就可達到較好的冷卻效果，合理增大導熱阻燃油的入口流量，能夠使電池模塊最高溫度進一步降低，不同電池單體間的溫差進一步減小。

圖11 不同入口流量下導熱阻燃油冷卻方案電池溫差曲線

[1] 羅慶凱, 王志榮, 劉婧婧等. 18650型鋰離子電池熱失控影響因素[J]. 電源技術, 2016, 40(2): 277-279.

[2] Pesaran A A. Battery thermal models for hybrid vehicle simulations[J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 377-382.

[3] JARRETT, Anthony, Kim I Y. Influence of operating conditions on the optimum design of electric vehicle battery cooling plates[J]. Journal of Power Sources, 2014, 245(1): 644-655.

[4] 張天時, 宋東鑒, 高青. 動力電池組扁管束液流熱管理增效[J]. 吉林大學學報(工學版), 2017, 47(4): 1032-1039.

[5] 張立玉, 路昭, 漆鵬程等. 鋰電池性能與溫度相關性的基礎實驗研究[J]. 西安交通大學學報, 2018(5).

Research on Heat Dissipation Characteristics of Lithium lon Battery Module

Wang Yangqing, Fang Lin

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM912

A

1003-4862（2019）05-0059-04

2018-12-17

汪陽卿（1989-），男，助理工程師。研究方向：鋰離子動力電池模塊設計。E-mail: 15872426053@163.com