液冷板結構對電池模組液冷性能的影響研究

付 平， 畢 杰， 楊明飛

(青島科技大學機電工程學院，山東青島266061)

新能源電動汽車的發展是未來電動汽車的發展趨勢，電池系統作為新能源電動汽車的一個核心綜合動力系統，對于電動汽車的安全穩定和正常運行起著至關重要的作用[1-2]。隨著人們對電動汽車充電時間和續航時間要求的提高，電池充放電倍率和能量密度越來越高，電池系統的發熱量急劇增大。而電池對高溫非常敏感，其使用壽命和性能會受其影響，溫度過高甚至會導致電池起火爆炸等嚴重事件，威脅乘客的生命安全。如今，傳統風冷已難以滿足散熱需求，這就對電池的熱管理提出了更高的要求。液冷由于散熱快、效果好，越來越受重視[3-4]，而液冷板作為液冷系統中的重要組成部分，其幾何形狀和結構設計對液冷性能有著重要影響。因此研究電池系統液冷板的結構影響，得出合理的方案，對電動汽車的發展具有重要意義。

1 模型建立與邊界條件

1.1 三維模型建立

本文建立了三種不同結構的液冷板簡化模型，研究液冷板結構對鋰電池模組液冷性能的影響，簡化后的模型須保證與實際相符，且能呈現液冷板的特點。三款液冷板簡化模型分別為電池模組上置式單進出水口液冷板模型(記為A 液冷板模型)，電池模組上置式雙進出水口液冷板模型(記為B 液冷板模型)，電池模組內置式雙進出水口液冷板模型(記為C液冷板模型)，其三維圖如圖1 所示。

液冷板模型的長寬高分別為870、830、10 mm，壁厚為2 mm，液冷管間距離為30 mm，A、B 液冷板模型皆安裝在鋰電池模組底部，即電池模組上置于液冷板。C 液冷板模型將電池模組置于其間，即電池模組內置于液冷板。B、C 液冷板模型皆采用雙進水口和雙出水口設計。

圖1 不同液冷板三維模型

1.2 計算模型

為簡化計算，在計算前對研究對象進行假設：設電池單體之間的熱傳遞方式為熱傳導，電池模組熱量主要由冷卻液循環帶走，冷卻液不可壓縮且與液冷板之間無滑移，液冷板無熱變形[5-6]。

液冷板內液體的流動狀態分為湍流和層流，其判別標準為雷諾數的大小。一般認為，當雷諾數小于等于2 000 時，冷卻液的流動狀態為層流；雷諾數大于等于4 000 時，冷卻液的流動狀態為湍流[7]。其計算公式為：

式中：v 為粘性系數；u 為流體流速；d 為特征長度。

冷卻液在實際使用中為水和乙二醇的混合物，因此，本文采用50%(體積分數)的乙二醇溶液為冷卻液，其物理參數如表1 所示[8]。

表1 50%(體積分數)的乙二醇溶液性質

經計算，冷卻液流動方式為湍流，因此用標準的k-ε 湍流模型，該模型中的流動能和耗散率分別為：式中：k 為湍動能；ε 為湍動能耗散率動能的生成率；σk為湍動能對應的普朗特系數；σε為湍能耗散率對應的普朗特系數。

Gk為湍動能生成率，其計算公式如下：

μt為湍流粘度，其計算公式為：

經查閱資料[9]，各參數值為Cu=0.09，σk=1.22，Cσ1=1.44，Cσ2=1.92。

1.3 邊界條件

在FLUENT 中將熱源定義為電池，在材料設置界面中輸入電池生熱功率和乙二醇溶液的參數，電池不同倍率的生熱功率如表2 所示。

表2 不同放電倍率下電池的生熱功率

液冷板進水口采用速度入口邊界條件，冷卻液流動速度設為0.2 m/s，冷卻液的初始溫度為311 K，水力直徑為20 mm，湍流強度5%。出水口設置為出流邊界，電池模組放電倍率設置為0.7 C，對流換熱系數設置為3 W/(m·K)。

2 液冷仿真結果與分析

2.1 A 液冷板模型仿真結果與分析

當環境溫度為311 K，放電倍率為0.7 C 時，電池模組溫度及A 型液冷板溫度變化仿真結果如圖2 所示。

圖2 0.7 C放電電池模組及A液冷板溫度

由圖2 可知，此時電池模組的最高溫度與最低溫度分別為320 和312 K，根據建模仿真的具體情況，可認為電池模組的有效最低溫度約為314 K，最高溫度與最低溫度之間相差6 K。最高溫度在電池模組中間處，最低溫度在電池液冷板與電池模組貼合處。液冷板的最高溫度與有效最低溫度分別為313 和311 K，分別位于其出水口處與進水口處，冷卻液溫度逐漸升高，與其在液冷板內流動路程呈正相關，具體溫度升高為2 K。

2.2 B 液冷板模型仿真結果與分析

當環境溫度為311 K，放電倍率為0.7 C 時，電池模組及B液冷板模型溫度變化仿真結果如圖3 所示。

由圖3 可知，此時電池模組的最高溫度319.5 K 與有效最低溫度313.5 K 之間相差6 K。液冷板的最高溫度與最低溫度分別為311.7 K 和311 K，同樣在出水口處與進水口處，隨著流動路程的增長，冷卻液溫度不斷升高，溫度升高0.7 K。

2.3 C 液冷板模型仿真結果與分析

當環境溫度為311 K，放電倍率為0.7 C 時，電池模組及C液冷板模型溫度變化的仿真結果如圖4 所示。

圖3 0.7 C放電電池模組及B液冷板溫度

圖4 0.7 C放電電池模組及C 液冷板溫度

由圖4 可知，此時電池模組的最高溫度317.5 K 與最低溫度314 K 之間相差3.5 K。液冷管的最高溫度與最低溫度則分別為312.1 和311 K，溫度相差1.1 K。

2.4 仿真結果比較與分析

為了使仿真模擬更具有說服性和可靠性，本文還在自然冷卻以及0.5 C 和1 C 放電條件下對電池模組的散熱進行了建模仿真，并與0.7 C 放電的仿真模擬進行了對比。

2.4.1 最高溫度變化的仿真結果比較

在不同放電倍率下對自然冷卻以及采用不同結構液冷板冷卻的電池模組進行建模仿真，并將其最高溫度結果整理繪制為柱狀圖，如圖5 所示。

圖5 自然冷卻及不同結構液冷板冷卻電池模組最高溫度變化柱狀圖

通過圖5 的分析可知，水冷可以降低電池模組的最高溫度，且放電倍率越大，降溫效果越明顯，是一種理想的冷卻方式。隨著電池模組放電倍率的增加，電池模組的發熱量明顯增加，但雙進出水口和內置式結構可以減緩溫度上升速度。具體表現為：B 液冷板結構相比于A 液冷板結構可以起到一定的降溫作用，但效果并不明顯，且降溫不均勻，因此單純的增加進出水口并不是理想和有效的降溫形式；C 液冷板結構不僅可以降低電池模組的最高溫度，而且可以減緩溫度上升速度，效果明顯，內置式結構可以看作是一種較好的液冷板結構。因此我們可以認為雙進出水口的內置式結構是一種較為理想的液冷板結構。

2.4.2 溫差大小的仿真結果比較

在不同放電倍率條件下，將電池模組最高溫度和最低溫度以及液冷板內冷卻液最高溫度和最低溫度的差值仿真結果進行整理，繪制折線圖，如圖6 所示。

圖6 電池模組及液冷板冷卻液溫差折線圖

分析圖6 可知，隨著電池模組的放電倍率增大，電池模組的溫差以及液冷板內冷卻液的溫差隨之升高。同一放電倍率下，單純采用內置式結構比單純增加進出水口對電池模組的溫差影響要大，即降溫效果較好。單純增加進出水口對冷卻液溫差降低明顯，在采用內置式結構后，溫差反而上升。這是因為增加進出水口后加速了冷卻液流動，從而使其溫差減小。采用內置式結構后，增加了液冷板與電池模組的接觸面積，大量熱量通過熱傳導形式傳遞到冷卻液中，增大了其溫差，也間接說明其冷卻效果較好。同時，內置式結構中高溫區域面積較小，亦說明其冷卻效果較好。因此可以得出結論：內置式液冷板結構散熱性能較為優越，而增加進出水口可以降低冷卻液溫差，可以認為雙進出水口的內置式結構是一種較為理想的液冷板結構。

3 實驗驗證

3.1 實驗步驟

本次實驗，驗證C 型液冷板冷卻效果，模擬使用環境溫度為38 ℃，電池模組0.7 C 放電，實驗的電池模組實物以及充放電測試系統如圖7 所示。

圖7 電池模組實物以及充放電測試系統

具體實驗步驟如下：(1)將滿電的電池模組在高低溫試驗箱內靜置30 min；(2)以0.7 C、84 A 電流恒流放電至單體電壓為3.2 V；(3)記錄并保存實驗數據；(4)實驗數據整理。

3.2 數值仿真與實驗數據對比

實驗過程中，每過10 min 記錄一次仿真的結果，并將其換算為攝氏溫度，最后根據兩組數據結果繪制成折線圖，如圖8 所示。

分析圖8 可知，電池模組的實驗溫度和仿真溫度，走勢趨于一致，都是隨時間的增加而升高，且上升的速度逐漸降低。電池模組最終實驗溫度比仿真溫度約低2 ℃，液冷效果比仿真預期更好，且在允許范圍以內，因此可以判斷仿真結果和實驗數據基本吻合，驗證了仿真結果的有效性與可靠性。

圖8 仿真與實驗數據對比

4 總結

本文研究了在一定放電倍率下，不同液冷板結構對鋰電池模組水冷散熱的影響。結果表明，在相同放電倍率時，增加進出水口可以降低冷卻液溫度，但對電池模組冷卻效果不明顯；內置式結構冷卻效果較為明顯，是一種理想的液冷板結構。不同倍率放電時，放電倍率越高，內置式結構對電池模組的冷卻效果越明顯。因此，確定了內置式雙進出水口(C型)液冷板是一種較為理想的冷卻板結構。通過測試實驗發現，采用該液冷板結構的電池模組，放電時溫度上升值的仿真結果與實驗結果差值較小，且變化趨勢較吻合，從而驗證了仿真模型的有效性與可靠性，對于電動汽車的電池發熱研究具有一定的指導意義。