車用動力電池液冷系統優化設計

錢欣哲，沈凱

（200093 上海市 上海理工大學）

0 引言

若動力電池自身溫度過高，會使其內部化學反應的速率超過設定的安全閾值，造成諸如極片等危險區域結構上的破壞。高溫下電池的實際容量和內阻與額定值相比也會有較大變化，造成整個電池模塊過充電現象，嚴重影響電池的使用壽命。維持不同工況下電池內部溫度的熱均勻性，對電池組性能的保持至關重要。電池模塊內部各個電池的內阻和實際容量會因為內部溫度不均勻性產生巨大的差異，從而導致一部分電池正常工作的工況下，另一部分電池已經出現了過充電和過放電的現象，嚴重影響了電池的壽命和使用性能。所以，根據具體的電池模塊的總體布置，為其設計一款能同時降低電池最高溫度和改善其內部熱不均勻性的相配套的冷卻系統十分必要[1-3]。

1 計算模型的建立

1.1 幾何模型的建立

該車用動力電池模型共包含4 個電池模組和液冷板。其中，初始冷卻板流道如圖1 所示。采用4 條直流流道，直流流道的優勢在于結構較為簡單，流道長度較短，進出口壓降較小，對輔助系統的功率要求也不高。

圖1 液冷板系統初始流道幾何圖Fig.1 Initial flow channel geometry of liquid cooling plate system

4 個電池模組按圖2 所示，左邊3 個電池模組并排放置在冷卻板上，右邊一個電池模塊豎直放置。每個電池模組由18 個單體方形電池相互串聯而成，并由橡膠將它們的側面連接。

圖2 電池模塊幾何圖Fig.2 Battery module geometry

橡膠的厚度為2 mm,單體電池的大小為78 mm×48 mm×103 mm。整個電池模塊的大小為722 mm×296 mm×103 mm，電池模組與冷板之間以導熱膠連接，導熱膠的厚度為2 mm。

1.2 材料屬性

電池正極材料為鋁，密度2 719 kg/m3，比熱容為871 J/(kg·k)，導熱系數為202.4 W/(m·k)；電池負極材料為銅，密度為3 978 kg/m3，比熱容為381 J/(kg·k)，導熱系數為387 W/(m·k)；硅膠密度為2 092 kg/m3，比熱容為1 500 J/(kg·k)，導熱系數為2 W/(m·k)；電池材料密度為2 092kg/m3，比熱容為678 J/(kg·k)，電池導熱系數為18.2 W/(m·k)。

2 不同環境溫度電池包熱流場分析

2.1 仿真計算

仿真環境溫度工況為24，27，30，35，40，45 ℃，冷卻液溫度為24 ℃。以2 號模組為重點監測對象，仿真計算其在1C 工況下一個完整的充電周期后的3 個監測點（電池模組上部，電池模組下部遠離流道處，電池模組下部靠近流道處）的溫度。根據單體電池的實驗結果，電池容量為153 Ah，1C 工況下的充電電流為156 A。進液流量為400 L/h。

表1—表6 分別為環境溫度為24，27，30，35，40，45 ℃時，電池模塊溫度數據。

表1 環境溫度24 ℃時電池模塊溫度數據Tab.1 Temperature data of battery module when ambient temperature is 24 ℃

表2 環境溫度27 ℃時電池模塊溫度數據Tab.2 Temperature data of battery module when ambient temperature is 27 ℃

表3 環境溫度30 ℃時電池模塊溫度數據Tab.3 Temperature data of battery module when ambient temperature is 30 ℃

由表1—表6 可知，與環境溫度24 ℃相比，在環境溫度為27，30，35，40，45 ℃時，電池模塊的最高溫度與初始溫度溫差分別下降了12.09%，26.06%，40.89%，57.24%，76.15%；與環境溫度24 ℃相比，在環境溫度為27，30，35，40，45 ℃時，電池上下部監測點最大溫差分別上升了25.09%，81.19%，120.18%，200.00%，314.22%；與環境溫度為24 ℃相比，在環境溫度為27，30，35，40，45 ℃時，電池下部靠近與遠離流道處溫差分別上升了34.74%，40.85%，123.94%，205.16%，320.19%。

表4 環境溫度35℃時電池模塊溫度數據Tab.4 Temperature data of battery module when ambient temperature is 35℃

表5 環境溫度40 ℃時電池模塊溫度數據Tab.5 Temperature data of battery module when ambient temperature is 40 ℃

表6 環境溫度45℃時電池模塊溫度數據Tab.6 Temperature data of battery module when ambient temperature is 45℃

2.2 不同環境溫度電池包散熱性能分析

由表1—表6 及圖3 可知，隨著環境與冷卻液溫差加大，模組內部最大溫差不斷上升，且其上升斜率也呈上升趨勢，直接威脅到電池模塊正常充放電性能。電池模組內部溫差主要表現在同一電池上下部溫差和同一電池模組不同電池間的溫差。

2.2.1 同一電池上下部溫差

電池上部溫度高于下部溫度是由于冷卻液帶走了電池模塊下部的熱量，而電池上部的熱量還來不及傳遞到電池模塊的下部導致的。

雖然電池模塊最大溫升隨著環境溫度的增加有小幅度降低，但考慮到高溫環境工況下電池的初始溫度受環境溫度影響本來就很高，電池模塊的最高溫度的略微上升就足以威脅到電池的安全性能。如果是在空間充裕的大型客車上使用，可以在靠近電池模塊上部的位置加裝強制風冷系統來降低電池上部的最高溫度。

2.2.2 同一電池模組不同電池間的溫差

同樣，由表1—表6 可知，在電池模組的下部，靠近流道的電池監測點溫度和遠離流道的電池監測點溫度相比溫差也很大。換言之，同一電池模組不同電池下部的熱均勻性很差。原因是冷卻板流道在電池模塊下部各個區域中分布不均勻。同一個電池模塊內部各個電池的內阻和實際容量會因為其靠近或遠離流道所產生的溫度不均勻性而產生巨大的差異，從而導致一部分電池正常工作的工況下，另一部分電池已經出現了過充電和過放電的現象，嚴重影響了電池的壽命和使用性能。

如圖3 所示，最高溫升曲線和內部溫差曲線的交點在冷卻液自身溫度與環境溫度相差6～9 ℃之間。所以，在條件允許的情況下，應盡量選用自身溫度與環境溫度相差6～9 ℃的冷卻液。在環境溫度較高的惡劣工況下，必須采取其他優化方案來改善電池模塊的熱不均勻性。

圖3 不同環境與冷卻液溫差的電池模塊溫度數據比較Fig.3 Comparison of battery module temperature data under different environment and coolant temperature difference

綜上所述，在不做其他優化設計的條件下，簡單的直流道液冷流道結構無法應對此類較為復雜的電池模組放置結構。因為，同一個電池模塊內部各個電池熱不均勻性所造成的危害最大，接下來著重采取其他優化措施改善電池模組下部靠近和遠離流道處電池之間的溫差，以改善同一電池模組內部不同電池的熱不均勻性。

3 不同進液流量電池包熱流場分析

在實際中，為了保護水泵不被損壞，冷卻系統的進液流量的最大值受到一定的限制。

以2 號模組為重點監測對象，仿真計算其在1C 工況下一個完整的放電周期后在350，400，450，500 L/h 時的各個主要監測點的溫度,通過計算得到表7—表9。

表7 27 ℃環境溫度下電池模塊溫度數據Tab.7 Temperature data of battery module at 27 ℃ ambient temperature

表8 35 ℃環境溫度電池模塊溫度數據Tab.8 Temperature data of battery module at 35 ℃ ambient temperature

表9 45 ℃環境溫度下電池模塊溫度數據Tab.9 Temperature data of battery module at 45 ℃ ambient temperature

由表7—表9 和圖4 可知，在環境溫度27 ℃時，與350 L/h 的流速相比，在400，450，500 L/h時，電池模塊最高溫升分別下降6.00%，6.50%，3.46%，內部溫差分別下降7.37%，8.5%，5.3%；在環境溫度為35 ℃，與350 L/h 的流速相比，在400，450 L/h 電池模塊最高溫升分別下降0.86%，4%，在500 L/h 時反而上升了8.85%。同樣，在400，450 L/h 電池模塊內部溫差下降了1.4%，4.4%，500 L/h 時，反而上升了8.85%；在環境溫度為45 ℃，與350 L/h 的流速相比，在400，450 L/h 電池模塊最高溫升分別下降了2.1%，11.2%，在500 L/h 時，反而上升了4.2%。同樣，在400，450 L/h 電池模塊內部溫差下降了1.57%，4.86%，500 L/h 時，反而上升了0.84%。

圖4 不同環境溫度下主動式液冷系統電池模塊內部最大溫升比較Fig.4 Comparison of maximum temperature rise in battery module of active liquid cooling system under different ambient temperatures

由此可知，適當增加進液流量到450 L/h 可同時降低電池模塊的最高溫升，改善單個電池模塊內部的熱均勻性，但繼續增加進液流量，該主動式液冷系統的散熱性能不增反退。在45 ℃的極端工況下，即使采用450 L/h 的進液流量，46.49 ℃的最高溫度和9.58 ℃的電池內部最大溫差也會使電池處于安全性能非常危險的工況之下。換言之，通過增加進液流量改善電池內部熱不均勻性的效果有限，為達到理想電池能夠安全工作的散熱性能，必須采用新的流道結構設計。

4 流道優化設計

4.1 蛇形流道設計思路

流道優化設計的目的在于降低電池內部最大溫差，改善其熱不均勻性。流道優化設計的重點在于改善電池同一模塊中不同電池的熱均勻性。并且通過上節可知，增加進液流量到450 L/h 后，繼續增加進液流量，電池的最高溫度和內部最大溫差不降反升，一味增大流道流徑并不可取。

根據要同時兼顧盡可能增大流道流經電池模塊底部的面積和流道盡可能均勻地分布在單個電池模組的各個部分兩大設計要求的思路，設計了如圖5 所示的蛇形流道。

圖5 蛇形冷卻液流道Fig.5 Serpentine coolant passage

直流流道流速較低，使冷卻液流場處于層流狀態，不利于電池模塊散熱。與原先的多流道直流流道相比，該冷卻板只有一條蛇形流道，擁有更小的流場橫截面積。水泵提供相同的流量時，蛇形流道中的冷卻液流速更快，形成湍流的概率更大，有利于提高冷卻液與流道之間的換熱效率。但是，由于蛇形管道相較多，直流形管道流道更長，有更多的拐點造成了更多形狀阻力，進出口的壓降更大，造成了較多的能量損失，對水泵等輔助系統的要求較高，降低了整個電池-冷卻液系統的效率。

蛇形管道和電池模組接觸的表面積比直流流道大得多，因此，可以顯著降低電池模組的最高溫升。又由于蛇形管道均勻地分布在單個電池模塊下部，可以很好地改善單個電池模組不同單體電池之間的熱均勻性。

4.2 不同流道仿真結果對比

仿真結果如表10 所示。優化后的蛇形流道冷卻系統極大地改善了單個電池模塊內部熱均勻性，即環境溫度為45 ℃時，現蛇形流道最大溫差在200，350，400，450 L/h 進液流量下，與原直流冷卻流道相比分別下降了31.16%，31.87%，35.21%，20.15%。

表10 兩種流道下電池模組內部最大溫差Tab.10 Maximum internal temperature difference of two channel battery modules

5 定時換向裝置

蛇形結構冷卻流道在進口處的散熱性能較為出色是因為電池與冷卻液初始溫差較大，帶走了很多熱量。但在出口處，由于冷卻液在之前的流道中吸熱升溫，與出口處電池模組溫差較小，所以散熱性能較差，造成了電池模組之間的溫度不均勻性，經過長時間的積累，也會危害到電池安全性能。在此基礎上設計出能夠降低冷卻液進出口附近不同電池模組間的溫差的冷卻系統就顯得十分重要。

由表11 可知，在原系統室溫45 ℃，進液流量450 L/h 時，設置每300，600，1 200，1 800 s，冷卻液進出口流向對換一次，均可有效降低電池模組內部溫差。在Fluent 中，以進口處1 號模組和出口處的4 號模組的體平均溫度設置監視器，計算其溫差。從1 800 s 到600 s，電池包內部最大溫差下降很快，熱均勻性得到很大的改善，溫差降到了5 ℃以內；周期從600 s 增加到300 s,內部溫差僅有小幅度的下降。所以，采取周期為600 s 的定時換向裝置就可以滿足當前電池包正常工作對液冷系統的要求。

表11 定時換向周期下1 號和4 號模組體平均溫度溫差Tab.11 Average temperature difference between module 1 and module 4 under different timing commutation cycle

6 結論

本文采用模擬計算方法設置環境溫度與冷卻液溫差為變量，分析了液冷式電池組的冷卻效果。為改善電池組在室溫與冷卻液溫度相差過大工況下的散熱性能，從進液流量和冷卻液流向和冷板流道結構3 個方面進行了優化設計，結論如下：

（1）在環境與冷卻液溫差更大的工況下，電池遠離冷板流道和上部的散熱性能更差。隨著環境與冷卻液溫差加大，模塊內部最大溫差不斷上升，且其上升斜率也呈上升趨勢，直接威脅到電池模塊的正常充放電性能。電池模塊最大溫升雖然隨著環境溫度的增加有小幅度降低，但考慮到高溫環境工況下電池的初始溫度受環境溫度影響本來就很高，電池模塊的最高溫度的略微上升就足以威脅到電池的安全性能。所以，在條件允許的情況下，應盡量選用自身溫度與環境溫度相差6～9℃的冷卻液.在環境溫度較高的惡劣工況下，必須采取其他優化方案來改善電池模塊的熱不均勻性；

（2）在進液流量很少的情況下，適當增加液流量450 L/h，可以改善主動式液冷系統的散熱性能。此時，進一步增加進液流量，主動式散熱系統的冷卻性能反而會下降；

（3）與原先的多流道直流流道相比，該冷卻板只有一條蛇形流道，擁有更小的流場橫截面積。水泵提供相同的壓力時，蛇形流道中的冷卻液流速更快，形成湍流的概率更大，有利于提高冷卻液與流道之間的換熱效率。同時，與電池模組接觸的表面積也更大，因此，可以顯著降低電池模塊的最高溫升。又由于蛇形管道均勻地分布在單個電池模塊下部，可以很好地改善單個電池模組不同單體電池之間的熱均勻性。仿真結果表明，這樣的結構設計能有效降低電池模塊在極端惡劣工況下的最高溫度和同一模塊不同電池最大溫差，有效改善電池的安全管理性能。

（4）通過給主動式液冷系統增加定時換向裝置，可以有效降低不同電池模組之間的熱不均勻性，提高電池安全性能。