熱管用于鋰離子電池組散熱性能的數值模擬研究

劉業鳳，夏鑫鑫，吳琪

（1.200093 上海市 上海理工大學 能源與動力工程學院；2.200093 上海市 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室）

0 引言

電動汽車行駛過程中，溫度對于動力電池性能影響尤為顯著[1]，溫度過高或過低都會影響動力電池運行性能[2]。對于鋰電池，最佳的運行溫度一般保持在25～50 ℃之間，溫差小于5 ℃[3]。李策園[4]通過實驗發現溫度對電池容量影響巨大，溫度低于-30 ℃時，電池放電容量僅為標稱容量的30%；溫度高于20 ℃時，電池可放出容量可達到標稱容量的95%以上。電池包熱量堆積也會影響電池使用壽命，根據Arrhenius 公式估算，溫度每上升1 ℃，電池的退化速率增加7%[5]。鋰離子電池在濫用的條件下，電池溫度可以達到700 ℃，導致電池著火甚至爆炸[6]。因此動力電池熱管理系統（BTMS）的實驗研究就顯得尤為重要。

近幾年新能源汽車飛速發展，電池技術不斷進步，許多學者紛紛提出設想，將熱管技術應用在電池熱管理系統中，利用其獨特優異的特性對電池組進行降溫散熱。甘云華[7]等人利用液冷散熱結合熱管對圓柱形電池進行散熱處理，首先建立熱物理模型對電池模塊表面溫度進行模擬仿真，并搭建試驗臺進行實驗驗證，結果顯示模擬仿真數據和實驗結果對比基本吻合，確認了熱物理模型的正確性，為后續模擬實驗提供了理論基礎；Wang Q[8]等人設計了L 型熱管，蒸發段打扁成扁平狀，夾在方形電池之間，冷凝段則利用液體進行降溫冷卻散熱，實驗結果證明了電池模塊經過1 800 s 的充放電循環之后，表面溫度依然可以保持在41 ℃以下；經過14 h 的低溫環境后，熱管依然可以在短時間加熱電池至正常工作溫度；Qu J[9]等人則選擇3D 振蕩熱管用于電池熱管理系統，并且實驗了不同角度對熱管散熱性能的影響，發現不同角度會對表面熱阻產生不同的影響，但在振蕩熱管處于豎直放置的穩定階段時具有更好的均溫性。

本文通過確定的單體電池熱物性參數，建立單體電池的三維模型，導入ICEM 進行網格劃分，將網格文件導入Fluent 模擬軟件，模擬在不同環境溫度和不同放電倍率下的單體電池生熱變化情況，并與實驗所得的單體電池生熱結果進行對比，驗證仿真模型的正確性。繼而建立相應的電池結合熱管散熱模塊的三維模型，并使用模擬軟件對模塊進行模擬，計算出環境溫度15℃、25℃、35℃，不同放電倍率，不同熱管長度下，電池模塊的溫度變化情況。

1 單體電池熱物性實驗

鋰離子電池的主要熱物性有內阻特性以及溫升特性[10]，兩者對于電池性質有較大的影響。通過測量電池內阻以及溫升特性，研究分析可以得出電池的物理特性，幫助建立電池熱模型。由于近年來用于電動汽車的鋰離子電池類型逐步使用三元材料鋰離子電池進行替代，因而本文的單體電池材料選用的是市售可獲取的三元鋰離子電池，對其進行電池內阻特性和溫升特性實驗。

1.1 內阻試驗測試

本文中的單體電池為圓柱形21700 型三元鋰離子電池，具體電池規格參數見表1。

表1 21700 型三元鋰離子電池規格參數表Tab.1 Specifications of 21700 ternary lithium-ion battery

根據HPPC 內阻測試原理，在15 ℃，25 ℃和35 ℃三個測試環境溫度下，以10 個不同SOC進行脈沖測試，計算出每個SOC 下的內阻值，并取每個溫度環境下的單體電池內阻值。計算得出，單體21700 型電池15 ℃環境下，單體電池內阻平均值為33 mΩ；25 ℃環境下，單體電池內阻平均值為22 mΩ；35 ℃環境下，單體電池內阻平均值為20 mΩ。

1.2 單體電池溫升實驗

采用內阻實驗的設備，在35 ℃環境溫度下，將電池充滿電，靜置一段時間，將熱電偶貼附在電池表面，并將電池單體與電子負載儀連接。設置電子負載儀的截止電壓為2.75 V，當單體電池恒流放電至電壓為截止電壓時，自動結束放電功能；設置電子負載儀以1C 放電電流進行恒流放電，利用安捷倫采集電池表面溫度數據，待恒流放電結束后，保存溫度數據。調節放電電流大小，重復上述步驟，進行不同放電倍率下的電池恒流放電，并采集溫度數據。將溫升實驗中獲取的實驗數據進行處理，得到不同放電倍率下的單體電池溫度隨時間的變化情況。實驗前期對熱電偶進行標定，利用恒溫水槽進行標定。本實驗使用的熱電偶為K 型熱電偶，精度為±0.4%，測量范圍為-40～375 ℃。

2 單體電池生熱仿真模擬

2.1 單體電池模型創建及網格劃分

用三維建模軟件CATIA 對電池單體進行建模，忽略電池正極極柱。將電池模型簡化為圓柱形模型，導入ICEM CFD 中，進行網格劃分。單體電池模型簡單，尺寸較小，形狀規則，可以采用結構化網格對三維模型進行網格劃分，結構化網格生成質量較高，生成速度快，能夠節省運算時間，但結構化網格運用范圍較窄，適用于規則形狀的圖形。網格劃分完成后的網格數為59 976，節點數為56 800。單體電池的三維模型和網格模型如圖1 所示。

圖1 單體電池三維模型與網格模型Fig.1 Three-dimensional model and grid model of single cell

2.2 模型設定與計算

由于電池生熱情況較為復雜，為更為精確地反映電池生熱過程，對模型做出如下簡化假設：（1）電池內部各部分材料分布均勻，材料物性保持不變[11]；（2）電池內部生熱量分布均勻，忽略電池內部電解液的對流換熱，電池表面對流換熱系數保持定值；（3）忽略電池內部輻射換熱[12]。仿真模擬的是環境溫度為35 ℃時的瞬態放熱。檢查網格質量后，定義電池參數（實驗測得）如下：電池密度為2 631.44 kg/m3，電池比熱容為940 J/(kg·K)，電池軸向導熱系數1.13 W/(m2·K)，徑向導熱系數則為19.5 W/(m2·K)。進一步設置源項，設置電池生熱速率大小表2 所示。

表2 不同放電倍率，電池單體體積生熱速率Tab.2 Heat generation rate of cell volume under different discharge rate

模擬設置第3 類邊界條件。將環境室內氣流流動情況視作自然對流，對流換熱系數為5 W/(m2·K)。設置自動保存，每100 s 自動保存溫度信息。在運算設置中，設置時間步數，步長為1 s，迭代步數為20 步，1.0C、1.5C、2.0C放電倍率步數分別設置為3 600 步、2 400 步和1 800 步，最后進行網格模型模擬計算。

2.2 仿真結果分析

圖2 可以看出，電池模擬溫升情況與實驗溫升情況趨勢大致一樣。仿真模擬結果一般都要比實驗放電結束時的溫度要高，仿真結果溫度趨勢也接近線性上升，實驗的溫升情況則呈一條曲線，上下波動。究其原因，主要是實驗情況不可控制，環境室內部的對流換熱系數不能穩定，而仿真模擬時，通常是將對流換熱系數設置為一個不變的數值，因而對溫度結果會產生一定的誤差。另外，在實際電池放電過程中，電池內阻值會隨著電池SOC 值波動，導致電池瞬時的生熱量產生變化，導致單體電池體積生熱速率產生變化。結合上述原因，電池單體在實際放電過程中，實際溫升情況會與模擬結果產生微小的差異。雖然實驗與模擬仿真情況有一定誤差，但實驗與模擬溫升情況變化趨勢基本相似，誤差也較小，重合度較好，因而該電池仿真模型可采用，并進行后續的電池模塊的仿真模擬。

圖2 環境溫度35 ℃時不同放電倍率下電池表面模擬溫升與實驗溫升對比情況Fig.2 Comparison of simulated and experimental temperature rise on battery surface under different discharge rates at 35 ℃

3 電池模塊散熱仿真模擬

由于電動汽車電池組的結構復雜，單體電池數量過多，因而在研究電池組散熱效果時，通常只選取一部分電池模塊進行研究。本文的電池模塊散熱效果仿真模擬則選用12 個單體電池以四串三并的方式組裝成一個電池模塊，再通過與熱管結合，制作出一個電池模塊散熱裝置，并對其進行建模仿真，研究熱管用于電池組散熱效果。

3.1 三維模型及網格劃分

由于是圓柱形電池，熱管與電池之間是線接觸，因此在電池與熱管之間使用薄銅片或薄鋁片作為電池集熱板，以提高電池模塊的均溫性，并使用導熱系數較高的導熱硅脂將電池間空隙填充滿，增加電池與集熱板直接的換熱面積。最后將熱管夾在兩塊集熱板之間，熱管與集熱板之間也使用導熱硅脂填充空隙，降低兩者的空氣熱阻。根據上述描述，利用CATIA 軟件進行三維物理模型建立，單體電池尺寸為高70 mm，直徑為21 mm，集熱銅片高60 mm，長67 mm，厚2 mm，熱管長127 mm，高8 mm，厚2 mm。電池正負極兩端要使用鎳片進行電路連接，將單體電池連接成一個3×4 的電池模塊，因此上下兩端預留5 mm 的空間防止集熱板觸碰電池電路產生短路等危險。

對建立的電池模塊結合熱管散熱的三維模型導入ICEM CFD 軟件中進行網格劃分，首先對電池不同部分重新命名定義三維模型，定義模塊中各個不同的實體區域body，劃分出固體計算域以及流體計算域，重新命名各部分part。由于電池散熱結構較為復雜，使用結構化網格較為困難，本文利用非結構化網格劃分整體網格，空氣計算域設置為只對熱管冷凝段吹風散熱，其余模型部分則劃分為固體計算域。

3.2 數值模型及仿真計算

電池模塊結合熱管散熱模型的Fluent 設置與前一節單體電池的Fluent 設置相似。檢查網格模型是否存在負體積網格。將網格模型統一單位，選擇計算模型、定義電池、集熱銅板、熱管以及導熱硅脂的熱物性參數，其中電池熱物性參數通過實驗獲取，其他部件的熱物性參數則以廠商提供的參數為準。

計算域設置將電池、集熱板、熱管以及硅脂都設置為固體計算域，空氣設置為流體計算域。其中，電池模塊設置生熱源項，體積生熱速率參考表2。定義電池模塊的生熱源項，其余部分的計算域則不設置生熱源項。繼續對各部分的邊界條件進行設置。電池模塊、集熱板、硅脂以及熱管非冷凝段部分的邊界條件設置為第2 類邊界條件，熱流密度設置為零，將整個電池模塊以及熱管非冷凝段部分視作絕熱狀態，只通過放置在空氣流體中的熱管冷凝段散熱,建立相應的導熱微分方程：

空氣流域使用湍流模型中的標準k-ε模型（見式2），空氣流體域的入口設置為速度入口，速度入口條件主要適用于不可壓流，設置流體的入口速度以及流體溫度。流體出口則設置為壓力出口邊界條件，壓力出口邊界條件一般是在出口處指定出口靜壓。根據NEDC 循環工況[13]測試顯示，整個循環測試持續時間為1 160 s，理論行駛里程為11.022 km，測試過程中最高車速為50 km/h，平均車速約為18.77 km/h。經過計算，NEDC 循環理論測試的平均車速為5.21 m/s，于是本文選取流場入口流速為5 m/s 以進行模擬仿真。網格模型時間步數，步長設置也參考單體電池不同放電倍率的電池放電時間步長。

式中：μt——渦粘性；Sij——平均速度應變率張量；ρ——流體密度；k——湍動能；δij——克羅內克算子。

3.3 仿真結果分析

根據上述設置計算之后，對電池模塊結合熱管網格模型進行后處理，處理出電池模塊最終放電溫度云圖。選取環境溫度為25 ℃，熱管冷凝段長度為60 mm 的條件下不同放電倍率電池模塊放電終止時的溫度云圖，利用Fluent 瞬時計算自動保存下來的網格文件，每隔100 s 保存一次數據，對導出的網格數據進行處理，得到電池模塊放電過程中的溫度變化以及電池模塊的最大溫差，對結果進行分析。

3.3.1 放電倍率對電池模塊散熱效果的影響

由圖3 可以看出，電池模塊放電倍率越高則電池模塊放電終止時的溫度越高。在相同環境溫度25 ℃條件下，1C 放電倍率，電池模塊溫度上升16.58 ℃，電池模塊最大溫差2.74 ℃；而以2C 放電時，電池模塊溫度上升接近33.9 ℃，電池之間最大溫差4.57 ℃。其中靠近空氣流場入口處的電池溫度最低，散熱情況最為理想，而第3豎排的電池表面溫度最高，溫度堆積情況最為嚴重，是整個電池模塊散熱情況較差的部分，也是需要最需要進行熱管理的部分，但該部分的電池溫度也未超過60 ℃，依然能夠保持在一個較為理想的工作溫度情況下。

圖3 環境溫度25 ℃時不同放電倍率下電池表面溫度變化Fig.3 Variation of surface temperature of battery with different discharge rate at 25 ℃

3.3.2 環境溫度對電池模塊散熱效果的影響

在環境溫度35 ℃時，對電池模塊模型進行仿真計算，模擬分析如圖4 所示。電池模塊以1.0C放電時，電池模塊最高溫度上升到48.23 ℃，溫度升高13.23 ℃，電池模塊最大溫差2.19 ℃；以1.5C 放電時，電池模塊最高溫度升高到58.35 ℃，溫度上升23.35 ℃，電池模塊最大溫差為3.7 ℃。相比在25 ℃環境條件下，電池模塊溫度差異變大，一致性變差，但整體模塊溫差依然可以控制在5 ℃以內；以2.0C 倍率放電時，電池模塊最高溫度會升高到68.90 ℃，溫度上升了33.9 ℃，模塊最大溫差在放電終止之前升高到5.22 ℃。

圖4 環境溫度35 ℃時不同放電倍率下電池表面溫度變化Fig.4 Variation of surface temperature of battery with different discharge rate at 35 ℃

溫差變大主要是由于電池模塊靠近流場入口處的熱管冷凝段對流換熱系數比后排的熱管冷凝段對流換熱系數更大，導致熱管散熱不均勻，加之電池模塊生熱量加大，熱管散熱能力不變，結果使得電池模塊溫升加快，加劇了電池模塊間溫度差異變大。但從2.0C 放電終止時溫度云圖結果可知，熱管在電池熱管理中能夠提高電池模塊的均溫性，最大溫差為5.22 ℃，保證了電池模塊的運行穩定性，可以確保電池工作安全性。雖然在35 ℃，2.0C 工況下電池模塊最高溫度會上升到68.9 ℃，但在實際電動汽車行駛中，整體電池模塊不會長時間以高倍率放電電流持續運行，根據王建[11]等建立的電流與車速的關系式推算，當電動汽車以120 km/h 行駛時，電池組放電倍率不超過1C，因此在高溫環境下，熱管依然可以對電池模塊進行有效的散熱，控制電池組溫度差異，保證電池溫度不處于高溫危險環境，確保電池組運行的安全可靠性。

3.3.3 熱管冷凝段長度對電池模塊散熱效果的影響

將電池模塊中熱管冷凝段長度變為40 mm，其他參數設置不變，在環境25 ℃下進行模擬，模擬結果對比分析如圖5 所示。在2C 放電倍率下，2 種長度的冷凝段使得模塊溫度相差5 ℃。由此可以看出當熱管冷凝段長度變短之后，電池模塊最高溫度會上升，主要是由于電池模塊生熱量通過熱管傳遞到外界，通過風冷冷卻來降低電池模塊溫度，減短熱管冷凝段長度之后，用于電池模塊散熱的散熱面積減少，在相同放電時間內，借由風冷帶走的熱量減少，導致相同時間段內電池模塊最高溫度相較于冷凝段長度60 mm 的熱管電池散熱模塊最高溫度更高，由此可以看出熱管冷凝段長度越長，電池模塊散熱效果越好。

圖5 電池模塊不同熱管冷凝段長度下不同放電倍率時表面最高溫度對比（25 ℃）Fig.5 Comparison of the highest surface temperature of battery module under different lengths of condensation section of heat pipe at different discharge rates (25 ℃)

但在實際應用中，熱管冷凝段長度不宜過長。根據趙建會[14]等人研究證明，對于銅-水熱管在蒸發段與冷凝段長度比在1∶3 的狀態下，熱管導能夠保證穩定的導熱性能。而在當熱管冷凝段變短之后，散熱量減少導致電池模塊溫度堆積情況較為嚴重。即使在較低溫度情況下，電池模塊溫度會提前達到電池理想工作環境極限，導致電池工作環境惡化，使得電池加快衰減，壽命減短，電池模塊最大溫度差異依然可以保持在5 ℃以內，保證電池模塊溫度的均勻性，確保電池模塊單體電池之間的溫度一致性，說明熱管用于電池模塊散熱，可以提高電池組的溫度一致性。熱管冷凝段長度縮短會導致電池模塊最高溫度上升，使得電池模塊的生熱量無法及時散熱到外界。

4 結論

本文通過對電池單體進行模擬，與實驗結果對比，驗證單體電池模型正確性，利用建立的單體電池模型，建立電池結合熱管散熱模塊模型，模擬不同測試條件下的散熱模組生熱情況，分析得出如下結論：

（1）通過建立單體電池三維模型，模擬單體電池在25 ℃下，不同放電倍率時單體電池表面溫度變化情況。通過與單體電池溫升實驗數據進行對比，模擬與實驗之間誤差不超過5 ℃，可確定該單體電池模型的正確性；

（2）電池結合熱管散熱模塊在環境溫度25 ℃下放電時，模塊最高溫度基本可以控制在60 ℃以下，最大局部溫差也可控制在5 ℃以下；

（3）模擬環境溫度35 ℃下，相比于25 ℃環境溫度下，35 ℃下模塊溫度一致性變差，局部溫差變大；

（4）環境溫度25 ℃時，將熱管冷凝段長度由60 mm 縮短為40 mm，2C 倍率下，散熱模塊最高溫度升高到63.82 ℃，局部溫差為4.04 ℃。相較于60 mm 冷凝段長度，熱管冷凝段長度減短，模塊最高溫度變大，而局部溫差則會變小，一致性較好。