基于液冷的鋰離子動力電池散熱結構優化設計

劉霏霏　袁康　李駿　洪顯華　龔陽

摘? ?要：針對鋰離子電池單體成組后溫度場的非均勻性導致的熱不一致性問題，以及高溫下電池單體間的熱交互引發的熱安全性問題，采用仿真與試驗相結合的方式，基于鋰離子電池生-傳熱機理，設計了電池單體單獨成組、電池單體之間夾隔泡沫棉、電池模組底部布置液冷板3種遞進式散熱方案，并對液冷板進行了優化設計. 采用有限元軟件STAR-CCM+，仿真分析了3種方案下電池模組在不同放電倍率時的溫度分布. 結果表明：增加泡沫棉可減少電池間的熱交互，進而提高電池單體間的熱均衡性. 在結合泡沫棉、導熱板以及優化后（采用液冷管道串-并聯組合方式）的液冷系統散熱條件下，電池模組以2C倍率放電時最高溫度為35.08 ℃，最大溫差僅為4.85 ℃. 研究結果可為電池熱管理散熱系統結構設計提供一定的理論基礎.

關鍵詞：鋰離子電池;液冷;散熱;STAR-CCM+;結構優化

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Optimal Design of Heat Dissipation Structure of

Lithium-ion Power Batteries Based on Liquid Cooling

LIU Feifei YUAN Kang LI Jun HONG Xianhua GONG Yang

（School of Mechatronics and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Abstract：Aiming at solving the thermal inconsistency problem caused by non-uniformity of temperature field after lithium-ion battery cells are grouped，and the thermal safety problem caused by the thermal interaction between the battery cells at high temperature. The combined method with simulation and test is adopted. Three progressive heat dissipation schemes are designed based on the heat generation-transfer mechanism of lithium-ion batteries. including individual battery cells in groups，foam cotton between the battery cells，and liquid cooling plate arranged at the bottom of the battery module respectively. Also the liquid cooling plate is optimized. The finite element software STAR-CCM+ is used to simulate the temperature distribution of the battery modules at different discharge rates for the three schemes. The results show that the increase of foam cotton can reduce the thermal interaction between the batteries，thereby improving the thermal uniformity between the battery cells. Under the heat dissipation condition of the combination with foam cotton，heat conducting plate and optimized（using liquid cooled pipeline series parallel combination） liquid cooling system，the maximum temperature of the battery module is 35.08 ℃ at 2C discharge rate，and the maximum temperature difference is only 4.85 ℃. The research results can provide a theoretical basis for the structure design of cooling system for battery thermal management.

Key words：lithium-ion batteries;liquid cooling;heat dissipation;STAR-CCM+;structural optimization

純電動汽車未來是人類的主流交通工具之一，動力電池是其唯一的動力源[1]. 而溫度是制約動力電池性能的最關鍵因素之一，其中最高溫度和溫度一致性左右著電池壽命和續航里程[2]. 因此，動力電池熱管理研究是當下的主要熱點之一. 鋰離子動力電池理想的工作溫度范圍在25 ～ 40 ℃，且電芯單體之間溫差不宜超過5 ℃[3]. 在電池的充放電過程中，模組本身由于化學反應會產生大量的熱，如果熱量不及時散出而積累在電芯內，會導致模組內部產生較大的溫升及單體電芯的溫度一致性較差，并由此會引發一系列后果，輕則影響電池的循環次數，重則導致電池熱失控甚至引發火災[4]. Liu等人[5]的實驗研究發現，選取一個鋰離子電池，并且使用NCM523作為該電池的正極材料，在53 ℃的環境下做100次循環后發現，該電池的壽命比之正常的減少了52.8%. Guo等人[6]使用磷酸鐵鋰電池做了相關的實驗并且對數據進行了對比發現，在30 ℃、50 ℃的環境下分別做50次的循環，處于50 ℃條件下的電池壽命及容量衰減得更多. 李龍飛[7]研究發現電池成組后以同倍率放電，2C時最高溫度比單體放電時高22.68 ℃;電芯溫差也達到了9.82 ℃，遠高于單體放電時的4.98 ℃. Yuksel等人[8]研究了磷酸鐵鋰電池的溫度環境對壽命及容量的影響發現，采用強制風冷進行冷卻散熱后，電池的壽命能提升6%左右.

根據介質的不同電池熱管理可區分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻等[9]. 但隨著電池功率性能的要求，單純的空氣冷卻已經滿足不了高倍率充放電電池系統的散熱要求，盡管相變冷卻性能良好，但其頗高的成本限制了其在生產中的應用[10]. 因此，對于高充放電率、高產熱率的電池組而言，液體冷卻具有明顯的優勢. 邱煥堯[11]設計了一種W形冷卻管道，布置在18 650圓形電池的周圍，模組以2C倍率放電，最高溫度控制在38 ℃，溫差控制在5 ℃之下;許時杰[12]設置了一種蛇形液冷管道，布置于方形電池模組的底部位置，模組以2C倍率放電，溫度最高為39.2 ℃，溫差為4.26 ℃;

電池液冷散熱研究主要是通過改變電池的排布結構以及液冷管道的結構實現散熱優化等，然而對于電池成組后引發的熱交互對液冷散熱影響的研究尚較缺乏. 針對電池成組后的熱不一致性及熱安全性問題，設計了一種新的電池散熱結構，即在電池單體之間夾隔泡沫棉，隔絕單體之間的熱交互，同時當電池在行駛路況時起到一定的減震保護作用，并且在模組底部加入導熱墊和液冷板，加快散熱速度. 在單體電芯的內阻測試實驗及電芯放電溫升實驗的基礎上準確建立了電池的熱仿真模型，并進行模組遞進式散熱設計：方案一采用自然散熱、方案二采用在電池單體之間夾隔泡沫棉，方案三采用液冷系統散熱并且對液冷散熱結構進行了優化設計. 應用STAR-CCM+軟件，對電池模組在不同放電倍率下的溫度場進行熱仿真分析，對比電池的散熱效率，得出電池模組的最優散熱方案.

1? ?數學模型的建立

1.1? ?鋰離子電池產熱機理

1.2? ?電芯熱物性參數獲取

1.2.1? ?電芯導熱系數

鋰離子動力電池的內部組成材料多種多樣，每種材料的導熱系數都不盡相同，并且其內部材料的排布排列形式也有所差異. 因此鋰離子電池的導熱系數在各個方向是不同的，即具有各向異性. 本文采用串并聯熱阻的方式計算電池的導熱系數，假設電池的厚度方向為Z方向，寬度方向為X方向，高度方向為Y方向[14].

1.2.2? ?電芯密度

1.2.3? ?電芯比熱容計算

1.3? ?鋰電池單體生熱速率模型及熱邊界條件建立

1.3.1? ?電池生熱速率模型

1.3.2? ?熱邊界條件

1.4? ?流場與溫度場協同原理介紹

2? ?電池內阻的測定及溫升實驗

2.1? ?電池內阻測試

2.2? ?單體電芯溫升實驗

3? ?電池建模仿真及驗證

4? ?電池模組的建立及仿真分析

4.1? ?方案一 自然散熱模組設計及熱仿真分析

方案一采用10個電池單體并聯組成1個模組，編號從1至10. 如圖6所示. 圖7為方案一模組在自然對流條件下2C倍率放電結束時的溫度云圖. 圖8為方案一模組中電池單體在2C放電結束時的最高溫度、最低溫度和溫差數據圖.

由圖7和圖8可知，當模組2C放電時，整個模組內部的溫度明顯高于外壁面與極耳部分. 這是由于在對流的條件下，外壁面和極耳部分能充分的對流散熱，而模組內部由于空氣流通的限制，產生的熱量很難通過對流換熱傳出，并且電池單體之間產生熱交互的作用，隨著熱量積累導致溫度升高. 2C放電時最高溫度達到了56.48 ℃，已經超過了電池最合適的溫度范圍;且模組以2C倍率放電時，單體電池的溫差較大，達到了7 ℃以上，此時的單體電池溫度一致性較差. 若電池長期處于此溫度環境中，則會損傷電池的使用壽命，并且還會帶來一定的安全隱患. 故鋰離子電池單體不能直接大量成組使用，必須設計合理的散熱方案.

4.2? ?方案二 單體電池夾隔泡沫棉的模組設計及熱仿真分析

基于方案一可知電池成組時高溫區域主要集中在內部，一部分原因是由于電池放電時產熱過多沒能及時的散出，另一部分原因在于電池與電池單體之間緊密接觸，它們之間發生的熱交互作用，因此溫度聚集在內部區域. 為此進行模組散熱設計的改進. 如圖9所示，方案二所使用的是在電芯單體之間夾隔泡沫棉，由于泡沫棉的導熱系數很低，這樣可以阻止電芯單體之間的熱傳遞，防止熱量堆積在一起.

由圖10和圖11可知，電池單體之間夾隔泡沫棉之后，由于泡沫棉的低導熱性，使得電池的熱量沿平行于泡沫棉方向傳導，從而達到熱均衡性，模組最大溫差為5.32 ℃. 由于單體成組放電，電池產熱量大，單純的自然冷卻以及采取熱源之間相互隔離的方法顯然還是不能將溫度控制在合適范圍內，仍然處于50 ℃以上的高溫條件.

4.3? ?方案三 采用液冷系統的模組設計及熱仿真分析

針對方案二中模組在放電情況下溫度仍然較高的問題，本方案采用液冷系統給電池模組進行強制散熱，液冷板流道結構及電池模組如圖12所示，電池模組下面墊有導熱墊，在導熱墊下面裝有液冷板，液冷板采用鋁制，流量進口采用質量流量，設置為2 L/min.

圖13為方案三模組在2C放電結束時的溫度云圖、流道壓力分布圖以及速度矢量圖. 根據圖13（a）可知，采用了液冷系統進行強制散熱后，模組高溫問題得到明顯的改善. 2C倍率放電時最高溫度為38.39 ℃，整個模組的高低溫區域較為明顯. 單體電池的溫差較大，這是因為流道內冷卻液的分配不均勻所導致的. 從壓力分布圖13（b）也可以看出，右邊的壓力整體都是高于左邊的，壓降為192 Pa. 速度矢量圖13（c）中的速度分布也是右邊更加的均勻，左邊的流量分配得很少，導致散熱協同效果差. 從而造成了模組的溫度場差異化較明顯，右邊溫度低左邊溫度高的現象. 需要優化液冷板的流道結構來改變模組溫度分布不均勻，單體電池溫差較大這一現象.

針對模組溫度場高低溫區域化明顯、單體電池溫差較大現象，對液冷板進行了優化設計，液冷板結構示意如圖14所示. 流道的數量減少，流量可以分配更加均勻. 圖15是方案三液冷板優化后模組在2C放電結束時溫度、壓力以及速度云圖.

對比圖13和圖15可知：在對液冷板進行優化之后，可以看到模組兩側的溫度一致性得到了改善，且最高溫度下降了2.6 ℃. 但是管內的壓降增加了823 Pa達到1 000 Pa以上，這對水泵以及管道的要求都比較高. 從速度矢量圖中可以看到，流速以及流量的分配也得到了較大改善，但是還是有不足之處.

為此，本文對液冷管道結構再做優化設計，結構示意圖為圖16，流道結構采取2并3串的串-并聯相結合的形式，能使流量在管道內分配得更加均勻，散熱協同效果更優，相反管道內的各處壓力還能下降. 仿真結束后云圖如圖17所示.

圖17為方案三液冷板再優化后模組中各單體在2C放電結束時的溫度云圖、壓力云圖以及速度矢量云圖. 圖18為單體電池最高溫、最低溫以及溫差圖. 結合圖17和18可知，模組的最高溫度以及溫度一致性都很好，流道內的流量分配度較高，冷卻液最高流速達到了0.88 m/s，換熱效率更快，整體的壓降也僅為185 Pa. 模組以2.0 C倍率放電結束時，模組最高溫度35.08 ℃，并且最大溫差為4.85 ℃. 采用液冷板流道結構為串、并相結合的液冷系統作為熱管理方案，可使鋰離子電池工作時溫度處于合理的范圍，且溫度一致性較好.

5? ?結? ?論

通過對單體電池實驗與仿真相結合的方式驗證了模型建立的準確性. 并在此基礎上，設計了電池單體單獨成組（方案一）、電池單體之間夾隔泡沫棉（方案二）、電池模組底部布置液冷板（方案三）3種遞進式散熱方案，并對液冷板進行了兩次優化設計. 使用串-并聯相結合的液冷板流道結構作為方案三的冷卻系統時，模組散熱效果最好，在2C放電結束時，單體模組的最高溫度為35.08 ℃，最大溫差為4.85 ℃. 相比于方案一，其散熱效率提升了37.9%;相比于方案二，其散熱效率提升了29.8%. 由此可見，采用優化后的方案三，在電池單體間增加泡沫棉可減少電池間的熱交互，提高電池的熱均衡性，同時對電池在行駛路況時起到減震保護作用，提高電池的安全性能;再者，在電池模組底部增設導熱墊和液冷板，可加快電池的散熱速率，同時配合液冷板流道結構為串-并聯相結合的設計，從而實現有效的熱管理. 研究結果可為動力電池熱管理及其散熱結構優化設計提供一定的參考.

參考文獻

[1]? ? SHAFIEI E，LEAVER J，DAVIDSDOTTIR B. Cost- effectiveness analysis of inducing green vehicles to achieve deep reductions in greenhouse gas emissions in New Zealand[J]. Journal of Cleaner Production，2017，150：339—351.

[2]? ? 干年妃，孫長樂，劉東旭，等. 變接觸面液冷系統的電池模組溫度一致性研究[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2020，47 （6）：34—42.GAN N F，SUN C L，LIU D X，et al. Study on temperature consistency of battery module for liquid cooling system with variable contact surface [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2020，47 （6）：34—42. （In Chinese）

[3]? ? LIU F F，LAN F C，CHEN J Q. Dynamic thermal characteristics of heat pipe via segmented thermal resistance model for electric vehicle battery cooling [J]. Journal of Power Sources，2016，321：57—70.

[4]? ? DENG Y W，FENG C L，E J Q，et al. Effects of different coolants and cooling strategies on the cooling performance of the power lithium-ion battery system：a review[J]. Applied Thermal Engineering，2018，142：10—29.

[5]? ? LIU W，WANG M，GAO X L，et al. Improvement of the high-temperature，high-voltage cycling performance of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 cathode with TiO2 coating[J]. Journal of Alloys and Compounds，2012，543：181—188.

[6]? ? GUO Z，CHEN Z. High-temperature capacity fading mechanism for LiFePO4 /graphite soft-packed cell without Fe dissolution[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry，2015，754：148—153.

[7]? ? 李龍飛. 某純電動汽車電池模組散熱結構設計與熱分析[D].重慶：重慶理工大學，2019：41—47.LI L F. Heat dissipation structure design and thermal analysis of a pure electric vehicle battery module[D]. Chongqing：Chongqing University of Technology，2019：41—47. （In Chinese）

[8]? ? YUKSEL T，LITSTER S，VISWANATHAN V，et al. Plug-in hybrid electric vehicle LiFePO4 battery life implications of thermal management，driving conditions，and regional climate[J]. Journal of Power Sources，2017，338：49—64.

[9]? ? LIU F F，LAN F C，CHEN J Q，et al. Experimental investigation on cooling/heating characteristics of ultra-thin micro heat pipe for electric vehicle battery thermal management[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2018，（31）1：179—188.

[10]? CHEN D F，JIANG J C，KIM G H，et al. Comparison of different cooling methods for lithium-ion battery cells[J]. Applied Thermal Engineering，2016，94：846—854.

[11]? 邱煥堯. 基于鋰離子動力電池液冷散熱結構設計及仿真分析[D]. 西安：長安大學，2019：32—46.QIU H Y. Design and simulation analysis of liquid cooling structure based on lithium-ion power battery[D]. Xian：Chang'an University，2019：32—46. （In Chinese）

[12]? 許時杰. 蛇形液冷板電池熱管理系統散熱效果及壓力損失分析[D]. 長沙：湖南大學，2017：39—40.XU S J. Investigation on thermal performance and pressure loss of the fluid serpentine-channel cold-plate used in thermal management system of the battery pack[D]. Changsha：Hunan University，2017：39—40. （In Chinese）

[13]? 劉奇. 基于相變材料的鋰離子電池熱管理系統性能優化研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2017：12—13.LIU Q. Performance improvement of thermal management systems Based on phase change materials for lithium-ion battery [D].Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2017：12—13. （In Chinese）

[14]? ZHAO C R，CAO W J，DONG T，et al. Thermal behavior study of discharging/charging cylindrical lithium-ion battery module cooled by channeled liquid flow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，120：751—762.

[15]? RAO Z H，QIAN Z，KUANG Y，et al. Thermal performance of liquid cooling based thermal management system for cylindrical lithium-ion battery module with variable contact surface[J]. Applied Thermal Engineering，2017，123：1514—1522.

[16]? 劉霏霏，蘭鳳崇，陳吉清. 基于動態內熱源特性的車用鋰離子動力電池溫度場仿真及試驗[J]，機械工程學報，2016，52（8）：141—151.LIU F F，LAN F C，CHEN J Q. Simulation and experiment on temperature field of lithium-ion power battery for vehicle based on characteristic of dynamic heat source[J]，Chinese Journal of Mechanical Engineering，2016，52（8）：141—151. （In Chinese）

[17]? 劉霏霏. 微熱管在電動汽車電池熱管理系統中應用關鍵技術研究[D]. 廣州：華南理工大學，2017：74—76..LIU F F. Research on key technology of applying micro heat pipes in battery thermal management system for electric vehicles[D]. Guangzhou：South China University of Technology，2017：74—76. （In Chinese）