鋰離子電池模塊油冷散熱特性數值研究

裴 波，汪陽卿，楊棟梁，孔 楠，胡浩源，盧 鑫，秦 江

應用研究

鋰離子電池模塊油冷散熱特性數值研究

裴 波1，汪陽卿1，楊棟梁1，孔 楠1，胡浩源1，盧 鑫2，秦 江2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001）

本文對電池模塊浸沒式油冷散熱方案進行了仿真研究，分析電池成組后大容量電池模塊的散熱特性，獲得了導熱阻燃硅油流量參數對大容量電池組散熱的影響規律。研究表明， 浸沒式油冷能有效控制大容量電池模塊的溫升； 改變流量可以提升換熱效果，但對電池模塊的最高溫度及溫差控制具有局限性，由于電池箱存在流動死區，換熱效果更易受到硅油熱導率的制約。

鋰離子電池模塊 浸沒式油冷 電池熱管理

0 引言

鋰離子電池由于比能量大、無記憶效應、循環壽命長等優點在電動交通工具中被廣泛應用，然而鋰離子電池組在極端濫用情況下的熱安全問題也時有發生[1]。溫度是影響電芯安全性的顯著因素，電池溫度過高容易造成電芯過熱使電芯性能下降，更嚴重的是引發熱失控，造成燃燒或爆炸等后果。電池組朝著多電芯大容量的方向發展，需要對阻燃防爆進行熱管理[2]。

硅油浸沒式油冷是一種直接接觸式散熱方法，結構簡單且具有阻燃防爆特性，其在電池組散熱方面的應用優勢逐漸被研究人員重視[3]。羅卜爾思[4]搭建了液冷試驗測試平臺，研究發現采用變壓器油直接接觸冷卻的方法效果明顯，變壓器油可作為電池組液冷方案的優良冷卻介質。汪陽卿[5]對比分析了空氣冷卻與導熱阻燃油冷卻方案的散熱特性，油冷方案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。顏藝[6]設計了一種液體直接接觸電池的熱管理系統，并提出了不同形式的流道結構進行優化分析。羅玉濤[7]針對容量37A·h的鋰離子電池組提出以變壓器油為冷卻介質的直接接觸液體冷卻方案，優選出3進1出的流道結構。朱小龍[8]提出兼顧冷卻和預熱的液體浸沒式熱管理方案與典型的基于熱管方案比較，浸沒式系統溫控性能較優。彭影[9]將油冷方案與環境風或冷卻空調風進行對比，以導熱油介質的液體強制對流冷卻對各工作狀態下的電池組均具有較穩定的冷卻效果。

目前對多電芯大容量電池組油冷方案的散熱研究較少，電池組大規模化后其熱特性將變得更加復雜，對熱管理的要求也更加嚴苛，本文對多電芯電池模塊油冷散熱方案進行了三維模擬，得到了電池組的溫度分布特性以及阻燃油的流量影響規律，對電池組的熱安全設計具有指導意義。

1 計算模型

1.1 物理模型

本文選取的整機模塊由8層構成，每層電芯兩兩呈六邊形排列，單體電芯為某型鋰離子電芯，整機電池箱設有進油管和出油管，使硅油流入電池箱與電池模塊換熱后流出從而將熱量帶出電池箱，為了研究方便，對電池組進行簡化，忽略連接材料，圖1所示。

圖1 電池模塊簡化物理模型

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:

由于硅油粘度較大，計算工況下的流速較低，雷諾數很小達不到湍流條件，經過比較采用了層流模型。

帶有內熱源的導熱方程

1.3 邊界條件及求解設置

根據測試數據在0.2 C工況下電芯單體生熱功率為0.0283 W，假設電芯發熱穩定，以體熱源形式加載到固體域材料中，模擬0.2 C工況下電芯的發熱，附加件總發熱功率82.28 W，以面熱源形式簡化加載到y方向流體與箱體接觸的壁面上。

本文采用質量流量入口，入口油溫為25 ℃，設置了5、10、20、40 g/s不同的工況做對比；采用壓力出口，出口壓力為一個大氣壓；電芯與硅油接觸面設為Couple耦合面，除熱源壁面外其余壁面設為絕熱邊界。

本文采用壓力基求解器對電池組冷卻模塊進行0.2 C工況瞬態計算，利用SIMPLEC格式進行求解。判斷收斂標準為每一時間步內監測物理量不再隨迭代數發生變化。

2 結果與討論

2.1 油冷卻方案整機散熱特性分析

圖2為油冷卻方案下不同入口流量整機模塊最高溫度隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看到，隨著充電時間的進行，電芯持續放熱，溫度逐漸升高，因為流體的冷卻作用，電芯溫度上升趨勢逐漸變緩，最終整機模塊最高溫度分別為36.95 ℃（5 g/s）、34.49℃（10 g/s）、33.81℃（20 g/s）、33.42℃（40 g/s）。對比不同入口流量可以發現，當流量從5 g/s上升到10 g/s時，模塊最高溫度曲線明顯下降，這是因為流量的增加使流速增加，從而使對流換熱效果有了明顯提升，但是當入口流量進一步增加，最高溫度降低的不再明顯，20 g/s與40 g/s最高溫度曲線非常接近，說明在當前電池箱結構下入口流量對模塊最高溫度的影響已經達到極限，單純依靠增大入口流量來控制模塊最高溫度的冷卻方式具有局限性。

圖2 整機模塊最高溫度隨時間變化曲線

圖3為油冷卻方案下不同入口流量整機模塊最低溫度隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看到，變化規律與模塊最高溫度變化規律類似，都是隨著充電時間的進行，電芯持續放熱，溫度逐漸升高，因為流體的冷卻作用，電芯溫度上升趨勢逐漸變緩，最終整機模塊最低溫度分別為27.74℃（5 g/s）、27.17℃（10 g/s）、26.66℃（20 g/s）、26.2℃（40 g/s）；對比不同入口流量可以發現，當流量不斷增加時，模塊最低溫度曲線明顯下降，這是因為流量的增加使流速增加，從而使對流換熱效果有了明顯提升。與最高溫度變化規律不同的是，在給定的流量變化內，模塊最低溫度始終是隨著流量的增加而顯著減小的。這說明在當前電池箱結構下，入口流量對模塊最低溫度的影響并未達到極限，這與模塊最高溫度變化規律不同。

圖4為油冷卻方案下不同入口流量整機模塊溫差隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看到，隨著充電時間的進行，電芯持續放熱，溫差逐漸升高，因為流體的冷卻作用，模塊溫差上升趨勢逐漸變緩，最終整機模塊溫差分別為9.21 ℃（5 g/s）、7.32 ℃（10 g/s）、7.15℃（20 g/s）、7.22℃（40 g/s）；對比不同入口流量可以發現，當流量從5 g/s上升到10 g/s時，模塊溫差曲線明顯下降，但是當入口流量進一步增加，不同流量的溫差曲線區別不再明顯，甚至出現了增大的趨勢。根據前文對模塊最高溫度和最小溫度的分析，出現這一規律不難理解，入口流量增加時，模塊最低溫度隨之明顯下降，而模塊最高溫度卻沒有發生明顯的下降，因此兩者的差值在入口流量增加過大時有增大的趨勢，說明在當前電池箱結構下單純依靠增大入口流量來控制模塊溫差的冷卻方式具有局限性。

圖3 整機模塊最低溫度隨時間變化曲線

圖4 整機模塊溫差隨時間變化曲線

2.2 模塊內部溫度分布規律分析

以入口流量20 g/s充電結束時刻為例，截取模塊內部電芯縱切面（圖5）、橫切面（圖6）以及電芯整體的溫度云圖（圖7）進行分析。模塊高溫區出現在模塊右側（x軸正方向末端），這是由硅油流動方向決定的，硅油整體呈現出從左下角向右上角流動的趨勢，沿硅油流動方向，隨著換熱的進行，硅油溫度不斷升高，造成換熱能力降低，因此模塊右側的電芯溫度也相對較高，值得注意的是右下角由于離出口較遠，存在流動死區，也出現了高溫區；模塊最低溫度出現在近入口處，這部分電芯與入口處的冷流體直接接觸，換熱效果最好，溫度幾乎沒有升高；沿著x軸方向看，電芯溫度逐漸升高；沿著y軸方向看，電芯溫度出現中間高兩側低的分布，這證明了流體沒有沿y軸方向流過電芯陣列內部，硅油在電芯陣列中沒有發生有效流通幾乎是靜止的，主要依靠導熱作用將熱量傳導到模塊兩側，油從入口進入電池箱，途中沒有流過電芯陣列內部，只是與電芯陣列最外側的表層電芯接觸后就從出口流出了。因此在當前電池箱結構下流量對模塊溫度的影響具有局限性，更容易受到靜態硅油熱導率的制約。

圖5 33.80 模塊內部電芯縱切面溫度云圖

圖6 模塊內部電芯橫切面溫度云圖

圖7 模塊內部電芯橫切面溫度云圖

3 結論

本文建立了多電芯電池模塊浸沒式導熱阻燃油冷卻方案三維數值模型，研究了不同入口流量下整機模塊的流動散熱特性以及流量對溫度控制的影響規律，得到如下結論：

1）浸沒式油冷方案對多電芯電池模塊具有良好的散熱效果，能夠將電池最高溫度控制在理想溫度以內；

2）由于當前電池箱結構存在流動死區，增大流量不能使最高溫度得到更有效的降低，流量對模塊最高溫度和溫差的影響具有局限性，換熱效果更容易受到硅油熱導率的制約；

3）如何解決溫度的均勻性是電池模塊多電芯大容量化后面臨的難題。

[1] 饒中浩, 張國慶. 電池熱管理[M]. 北京: 科學出版社: 2015.

[2] 張劍波. 大型動力鋰離子電池的熱特性、熱問題、熱設計[C]. 全國儲能科學與技術大會. 2014.

[3] JorisJaguemont, Joeri Van Mierlo. A comprehensive review of future thermal management systems for battery-electrified vehicles[J]. Journal of Energy Storage, 2020, 31.

[4] 羅卜爾思. 電動汽車動力電池直接接觸式液冷系統的研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2016.

[5] 汪陽卿, 方林. 鋰離子動力電池模塊散熱特性研究[J]. 船電技術, 2019, 39(05): 59-62.

[6] 顏藝, 羅玉濤. 液體接觸式電池熱管理系統流道設計流速優化[J]. 電源技術, 2019, 43(11): 1801-1804+1816.

[7] 羅玉濤, 羅卜爾思, 郎春艷. 鋰離子動力電池組的直接接觸液體冷卻方法研究[J]. 汽車工程, 2016, 38(07): 909-914.

[8] 朱小龍. 動力電池熱管理系統溫控性能實驗與數值模擬研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2018.

[9] 彭影. 車用鋰離子電池冷卻方案優化設計[D]. 杭州: 浙江大學, 2015.

Numerical Study on Heat Dissipation Characteristics of Silicone Oil-cooled Lithium-ion Battery Module

Pei Bo1, Wang Yangqing1, Yang Dongliang1, Kong Nan1, Hu Haoyuan1, Lu Xin2, Qin Jiang2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

TM912

A

1003-4862（2021）02-0011-04

2020-09-04

裴波(1985-)，男，高工。研究方向：船舶化學電源設計與開發。E-mail: peibohfy@163.com