電池模組復合液冷散熱的實驗研究與數值分析

吳笑宇，張恒運

（201600 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

近年來，電動汽車以高效、節能、低污染、零排耗等優點，受到了全社會廣泛的關注[1]。鋰離子電池作為電動汽車“三電”的核心，具有能量密度高、自放電率低、循環壽命長、無記憶性等優點，在電動汽車上獲得了廣泛的應用[2-3]。然而電動汽車在過充或者大倍率放電時會大量生熱，使得電池模組急劇增溫，嚴重影響其使用壽命，甚至誘發熱失控，造成安全事故[4]。而隨著動力電池能量密度的不斷提升、快充技術的快速發展，電池將會面臨更加嚴重的生熱問題。在保證電池模組的最高溫度不超過高溫限制如50 ℃的同時，將電池之間溫差盡量控制在5～6 ℃范圍內[5-6]是目前電池溫度管控的一個重點方向，這對電池熱管理技術提出了嚴峻的挑戰。

常見的動力電池熱管理方式包括：風冷[7-8]、液冷[9-10]以及相變冷卻[11-12]。相較其他冷卻方式而言，風冷具有系統簡單、可靠，成本低等優點，在電動汽車發展初期應用較多。然而在汽車加速、爬坡等大倍率放電工況下，風冷散熱性能不足。此外，在夏季環境溫度較高時，采用風冷難以將電池模組的溫度控制在高溫限50 ℃以下。近年來，以石蠟為代表的相變材料具有潛熱高、化學性質穩定等優點[13]，將其應用于動力電池熱管理能夠獲得較好的溫度一致性[14]，是目前國內外學者研究的重點。然而相變材料存在導熱系數較低、易燃等問題[15-16]，造成在實際中應用有限。而液冷則因其具有較高的換熱性能，在動力電池模組設計中應用越來越多。Zhao J T[17]等通過在單體圓柱電池外表面圓周布置帶有冷卻微通道的金屬殼體，對40 顆圓柱電池組成的電池模組的液冷散熱性能進行了研究。當通過每個電池的流量至少為0.24 kg/min 時，可將圓柱電池模組的最高溫度控制在40℃以下。Cao W J[18]等針對180 節18 650 圓柱電池組成的電池模組進行液冷散熱，Fluent 數值仿真結果表明，在單體電池2C 放電，總冷卻流量為36 L/min 時，電池模組的最高溫度為39 ℃（312 K）。類似的，Li Y B[19]等針對15顆方形電池組成的50 V 電池模組也采用了液冷方案進行散熱，發現在單體電池5C 放電時，0.1 m/s的冷卻液流速可將電池模組的溫差控制在6 ℃左右。因此，本文同樣選取液冷散熱方案，對所研究電池模組的熱性能進行研究。

如圖1（a）所示，為本文搭建的電池模組液冷實驗平臺包括106 顆18 650 圓柱電池以及由熱擴散板以及導熱柱組成的強化散熱裝置。在單體電池3C放電、液冷流量10 L/min的運行工況下，首先對電池模組的熱性能進行了實驗研究，并基于實驗結果，建立了單列電池模組模型，進行了實驗與仿真的對比驗證。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Photograph of experimental test system

然而數值仿真結果表明，基準案例結構配置的電池模組溫差較大，超出了電池熱管理所要求的極限溫度范圍，因此進一步對電池模組內各結構參數進行了研究以及優化，并獲取了優化的結構配置。所研究結構參數包括導熱柱直徑、導熱柱高度以及熱擴散板厚度。

1 實驗與數值仿真模型

1.1 電池模組詳細結構說明

所搭建電池模組側面結構示意圖如圖1（b）所示。在距離電池頂部15 mm 處安裝有1 mm 厚熱擴散板，擴散板上方同時配備有5 mm 高翻邊，以增加電池與熱擴散板之間的接觸面積。熱擴散板下方為排布在電池周圍的128 根導熱柱（Φ=8 mm），導熱柱的上下兩端分別與熱擴散板以及液冷板相連。當前結構配置下，各圓柱電池生成的熱量可經由熱擴散板以及導熱柱直接傳遞給冷板，從而強化了換熱。需要說明的是，實驗測試所用圓柱電池為定制的18650 仿形電池（材料為6063 鋁）。如圖1（c）所示，該仿形電池的中部加工有直徑6 mm、深50 mm 的盲孔以安裝電加熱棒（95Ω），從而獲得恒定的熱流輸入。并且，為了方便對電池的溫度進行監控，在距離電池軸線位置7.25 mm 處，加工有直徑為1 mm、深為10 mm 的盲孔以安裝K 型熱電偶。在后續的實驗過程中，通過對電池模組中部以及邊緣角落處的電池溫度進行監控，對整個電池模組的熱性能進行分析以及研究，詳細的熱電偶布置可以參考文獻[20]。此外，電池模組底部液冷板為常見的直流式液冷板，板內加工有細小槽道和直型翅片強化換熱。

在上文電池模組結構配置的基礎上，沿冷卻液流動方向，選取了包含1/2×10 顆18650 電池的單列模型進行后續的數值仿真以及優化。所設定熱電偶溫度監控位置如圖2 所示，分別位于#1，#5 以及#10 電池的頂部。

圖2 帶邊界條件的數值仿真模型：1 號熱電偶監控點Fig.2 Simulation model with boundary conditions:the first temperature monitor point

為簡化計算，在進行數值仿真時，通過采用具有等效導熱系數的實心圓柱(k=82 W/m·K)代替實驗所用中空導熱柱進行研究。熱擴散板下方、各18650 圓柱電池之間的空氣也被設定為靜止空氣進行導熱，忽略其內微弱自然對流的影響。

1.2 仿真模型邊界條件設定及網格無關性驗證

通過ANSYS-Fluent 17.0 對電池模組進行熱仿真分析，設定邊界條件如圖2 所示。選取實驗測試過程中監控的環境溫度、冷卻液入口溫度作為初始參數進行輸入（分別為25.64 ℃，27.0 ℃）。電池頂部自然對流換熱系數為5 W/m·K，與文獻[21]相同。同時，根據文獻[22]，在10 L/min液冷流量下的冷板入口雷諾數為533.94，屬于層流流動。數值仿真所設定的材料物性參數值如表1 所示。其中，根據參考文獻[23]設定了圓柱電池的導熱系數，而其余物性參數值均為實驗測量結果。當單體電池3C 放電時，設定的計算時間為1 200 s。當能量方程的殘差值小于10-6，而其余方程殘差值小于10-4時，認為仿真結果收斂。

表1 不同材料物性參數Tab.1 Physical properties of different materials

在進行詳細的數值仿真以及優化前，首先對數值仿真模型進行了網格無關性驗證。對比結果表明，隨著網格數量的增加，電池模組的最高溫度以及冷板的進出口壓差均趨于平穩。當網格數量大于2.27 M 時，與3.07 M 網格數量的數值仿真模型相比，電池模組的最大溫升以及進出口壓差分別小于0.05 %以及0.43%。因此，選擇網格數量為2.27 M 的網格模型進行后續的仿真分析。

2 結果與分析

2.1 液冷散熱的電池模組實驗研究

在單體電池3C 放電，液冷流量10 L/min 的情形下，對圖1 的電池模組進行實驗研究。結果表明，電池模組內的最高溫度出現在中部約#5電池位置，而最低溫度則出現在冷卻液入口的邊角電池處。此時各熱電偶監控點的電池溫升曲線如圖3 所示，電池模組的最高溫度約為41.99 ℃，而各熱電偶測溫點的溫差則約為2.02 ℃。

同時，對自然對流條件下電池模組的溫升也進行了研究。當單體電池2 W 恒功率生熱時，電池模組的溫度近似線性上升。放電結束時，自然對流冷卻散熱的電池模組最高溫度與溫差分別為50.15 ℃和3.75 ℃。因此，采用液冷對電池模組進行散熱冷卻，是行之有效的電池熱管理方案。然而，對于整個電池模組而言，由于布置的熱電偶數量有限，從而無法獲取整個電池模組的溫度分布。因此，本文采取實驗與仿真相結合的方式，對整個電池模組的熱性能進行詳細的研究。

圖3 熱電偶實際測量所得電池溫升曲線Fig.3 Temperature curve of batteries monitored by K-type thermal-couples

2.2 實驗與仿真的對比驗證

在單體電池3C 放電、液冷流量10 L/min 的情形下，整個電池模組的溫度分布云圖如圖4 所示。受熱擴散板及導熱柱影響，電池模組內的高溫區域出現在3～9 號電池中部偏下，電池中剖面的高溫云圖呈現中間大、上部細長的水滴狀。而電池模組的最低溫度則出現在冷卻液入口1 號電池與熱擴散板相接的部位。但需注意的是，對于基準案例結構配置的電池模組而言，雖然模組的最高溫度滿足了設計要求（43.71 ℃），但溫差超出電池熱管理所要求的極限范圍(5.68 ℃)。因此，需要對電池模組內的各結構參數進行優化，以期獲得更高的電池模組溫度一致性

圖4 基準案例配置的電池模組溫度分布云圖。Fig.4 Temperature contour of battery module with configuration of baseline case

圖5 實驗與仿真的溫升曲線對比Fig.5 Battery temperature curves for numerical simulation and experimental test

同時，將數值仿真結果與實驗結果進行對比。圖5 為1 號熱電偶測溫點的實驗與數值仿真溫升對比曲線。放電結束時，1 號熱電偶測溫點處的數值仿真結果為40.46 ℃，相較實驗結果降低了約0.94 ℃。當前偏差可能是因為電池、熱擴散板、導熱柱以及冷板之間存在接觸熱阻造成的。但是，可以認為當前數值仿真結果是合理可行的。

2.3 結構參數優化分析

為獲得更高的電池模組溫度一致性，對基準案例內各結構參數進行單因子研究以及優化，對應表2 研究例1—4。所研究結構參數包括導熱柱直徑、導熱柱高度以及熱擴散板厚度。

表2 數值仿真研究案例說明Tab.2 Numerical simulation cases

如圖6 所示，當前電池模組的最高溫度變化相對簡單：隨著導熱柱高度的增加而上升，隨著導熱柱直徑以及熱擴散板厚度的降低而減小。但是溫差變化則相對復雜：隨變導熱柱直徑以及導熱柱高度增加，而先減小后增大，隨熱擴散板厚度的增加而近似線性降低。

就當前配備有額外散熱結構的電池模組而言，在導熱柱直徑大于6 mm 后，電池模組內的最低溫度由原先#1 電池的底部轉移至#1 電池與熱擴散板的交界面處。由于熱擴散板以及導熱柱均為鋁制，且與液冷板直接相連，使得電池模組內的最低溫度受冷卻液進口溫度的影響更大，從而造成了電池模組溫差的逐漸上升。而對于變導熱柱高度情形而言（導熱柱直徑固定為8 mm，即電池模組的最低溫度恒定出現在電池與熱擴散板的交界處），電池模組的溫差隨導熱柱高度的增加而先減小后下降，當前溫差的變化主要是受電池模組內的最高溫度與熱擴散板之間距離變化的影響所致。如上文所述，在增加熱擴散板與導熱柱后，電池模組的最高溫度出現在電池的中剖面偏下位置。因此，應當存在一個最優的導熱柱高度，能夠在降低電池模組最高溫度的同時，盡可能地減小電池模組的溫差。

圖6 結構參數變化對電池模組的影響Fig.6 Effects of different structure parameters to battery modules

2.4 優化結構配置的電池模組熱仿真分析

綜合上文結構參數優化結果，選取優化結構配置為：導熱柱直徑6 mm，導熱柱高度45 mm以及熱擴散板厚度5 mm。此時，整個電池模組的最高溫度約45.27 ℃，模組溫差約為3.96 ℃。與基準案例結構配置的電池模組相比，雖然電池模組的最高溫度上升約8.63%，但是電池模組的溫度一致性得到了有效提升，溫差降低了約30.28%。與此同時，在相同的邊界條件下，對傳統單純底部液冷的電池模組也進行了數值仿真，相應的電池模組溫度分布云圖如圖7 所示。放電結束時，電池模組的最高溫度出現在電池頂端，約為56.85 ℃；而模組的最低溫度則出現在電池的底部，溫差約為5.1 ℃。與之相比，本文帶熱擴散板以及導熱柱的電池模組的最高溫度以及溫差分別降低了37.10%以及22.35%。

圖7 傳統單純底部液冷的電池模組溫度分布云圖Fig.7 Temperature contour of conventional battery module with only bottom cooling

3 結論

針對一種新型復合液冷散熱的圓柱電池模組進行了實驗與數值研究。搭建了圓柱電池模組液冷實驗平臺，對電池模組內106 顆18650 圓柱電池的熱性能進行實驗研究。在實驗研究的基礎上，建立了單利電池模組模型，并進行了數值仿真，獲取了單體電池3C 放電，液冷流量10 L/min 的情形下的電池模組溫度分布云圖。隨后，為獲得更高的電池模組溫度一致性，對包括導熱柱直徑、導熱柱高度以及熱擴散板厚度在內的不同結構參數進行了研究以及優化，獲得了較優的結構配置。此外，進行了實驗與仿真的對比，驗證了仿真模型的可行性。所獲結論如下：

（1）在單體電池3C 放電，液冷流量10 L/min的情形下，熱電偶監控所得電池模組的最高溫度約為41.99 ℃。與自然對流冷卻散熱的電池模組相比，當前液冷散熱的電池模組最高溫度降低約32.67%。（2）進行了實驗與仿真的對比驗證，相同邊界條件下的溫度偏差約為0.94℃，表明仿真模型合理可行。（3）基準案例結構配置的電池模組的溫差超出了熱管理所要求的極限溫度范圍。因此，對電池模組內各結構參數進行了研究以及優化。優化后，整個電池模組的最高溫度約為45.28 ℃，而溫差為3.96 ℃，電池模組的溫度一致性提升了約30.28%，且滿足了電池熱管理的要求。（4）對比傳統單純的底部液冷方案，本文內置散熱強化裝置的電池模組的熱性能能夠得到有效改善。優化后，整個電池模組的最高溫度以及溫差分別降低了37.10%以及22.35%。