鋰離子電池模組液冷散熱設(shè)計

沈華平，竺玉強，楊梓堙，楊 桃，栗歡歡

(1.江蘇春蘭清潔能源有限公司，江蘇泰州 225300；2.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

近年來，由于國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的大量普及和應(yīng)用，致使能源短缺、環(huán)境污染等問題日益突出，引起全球各個國家的廣泛關(guān)注[1]。因而新能源電動車將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。電動汽車的動力來源于動力電池，所以對電動汽車而言，其動力性能取決于動力電池的性能[2]。

鋰離子電池由于具有工作電壓高、比能量高、自放電率低、無記憶性以及對環(huán)境無污染等優(yōu)勢，現(xiàn)今已成為最具有發(fā)展前景的動力電池。但鋰離子電池在工作過程中會產(chǎn)熱，若是這些熱量無法及時散出去，熱量一旦積累起來將會導(dǎo)致電池包溫度升高和溫度分布不均勻，從而致使電池性能下降，嚴重的話甚至引起電池發(fā)生熱失控，進而危及安全[3-4]。因此，設(shè)計一個可靠高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)至關(guān)重要。合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需保證模組最大溫差不超過5 ℃，模組能保持在20～40 ℃范圍內(nèi)工作[5]。

為了及時排出電池在工作過程中產(chǎn)生的熱量，各式各樣的冷卻方式不斷被提出和改進。Fan 等[6]研究了空氣流量對電池模組散熱效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)增大空氣流量可以降低電池模組的最高溫升。Chen 等[7]研究了四種單體冷卻方式：風(fēng)冷、直接液冷、間接液冷和翅片冷卻，結(jié)果表明，風(fēng)冷系統(tǒng)要保持平均溫度不變，需要比其他方式多2～3 倍的能量；間接液冷系統(tǒng)的最高溫升最低；系統(tǒng)體積相同情況下，間接液冷比直接液冷的冷卻性能略低，但其應(yīng)用更為普遍。

間接液冷系統(tǒng)目前主要研究液冷板的布置、流道設(shè)計以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等對冷卻性能的作用。Jarret 等[8]研究流道形狀、流道寬度以及冷卻介質(zhì)流速對電池模組散熱效果的影響，結(jié)果表明，改變流道形狀、流道寬度或冷卻介質(zhì)流速其中一樣，都會影響電池模組的散熱效果。Xu 等[9]建立了t 型分岔蓋板液冷散熱模型對電池模組散熱進行研究，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以使每個流道都流有均勻的冷卻液，有效地提高了電池模組溫度均勻性。

本文以電池模組作為研究對象，針對常見的液冷散熱串行通道溫度一致性差的問題，結(jié)合串行通道和并行通道的特征，提出了兩種新型流道結(jié)構(gòu)。在單體熱模型的基礎(chǔ)上，建立了電池模型液冷散熱模型并對比了這幾種流道結(jié)構(gòu)的散熱效果，驗證了所提出的新流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

1 模型構(gòu)建與驗證

本文測試的電池是合作商提供的一款30 Ah 三元方形鋰離子電池，正極材料為鎳鈷錳(NCM，LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)，負極材料為石墨，其具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。對電池進行測試時，溫度傳感器設(shè)置在電池表面上部、中心處、下部以及側(cè)面中心處，如圖1(a)所示。本文選取電池正面上中下三個位置作為溫度采集點的原因是因為正面面積最大，這些點的溫升能夠體現(xiàn)出電池表面的溫度分布情況，從而為后文中單體熱模型驗證研究工作的可靠性提供指導(dǎo)；而第四個采集點選取為電池側(cè)面的原因是因為后文研究的電池模組模型中，液冷板主要通過與電池側(cè)面相接觸來帶走電池產(chǎn)生的熱量。

圖1 電池模型及溫升曲線圖

表1 鋰離子電池基本性能參數(shù)

在Fluent 中設(shè)置好相應(yīng)的邊界條件后，在測試溫度為25 ℃下對單體電芯進行恒流放電的溫升仿真，恒流放電倍率分別為1C、1.5C和2C，在模型相應(yīng)的位置也設(shè)有四個溫度采集點。

仿真與實驗的四個點溫度的平均值結(jié)果如圖1(b)所示。由圖可知，在1C放電倍率下，仿真與實驗的溫度曲線相仿；而在1.5C、2C放電倍率下，仿真與實驗的溫度曲線雖然有一些偏差，但最大偏差值低于1 ℃。由此可知，在不同倍率下仿真與實驗溫升曲線有很好的一致性，證明本文所建立的單體鋰離子電池?zé)崮Ｐ途哂袦蚀_性。

在單體熱模型基礎(chǔ)上建立了電池模組模型，該模組模型包含12 塊電芯與2 塊液冷板，并且運用CATIA 建立了簡化后的電池模組模型，如圖1(c)所示。

本文研究單向進出口的液冷板流道，通過改變其串行通道和并行通道來分別降低流道進出口的壓降和提高流量分配的均勻性，從而改善模組溫度的一致性。設(shè)計了四種流道結(jié)構(gòu)方案，如圖1(d)所示，將四種方案的流道的管道橫截面積、管道間距等基本結(jié)構(gòu)參數(shù)都設(shè)計一樣。后文將研究這四種流道的結(jié)構(gòu)對電池模組的散熱效果和進出口壓降的影響，選出最佳的結(jié)構(gòu)方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同流道結(jié)構(gòu)散熱效果對比分析

研究四種結(jié)構(gòu)方案下，2C倍率放電末期測得電池模組的最高溫度與最大溫差數(shù)值如表2。由表2 可知，方案二的并行流道結(jié)構(gòu)對模組的散熱效果最不理想，最高溫度和最大溫差都是最大；而方案一的蛇形流道結(jié)構(gòu)進行液冷散熱，模組的最高溫度值是最小的，但最大溫差值小于改進過的方案三，表明了改進過的流道結(jié)構(gòu)可以提高電池模組溫度的一致性。

表2 模組最高溫度與最大溫差 ℃

如圖2(a)所示，方案二的并行流道內(nèi)冷卻液的流速最小，但因為外側(cè)通道的流動阻力大，而中間的阻力小，以致出現(xiàn)了分配的流量不均衡現(xiàn)象。方案一的蛇形流道內(nèi)冷卻液的流速最大，而方案三和方案四的冷卻液流速位于方案一和方案二之間，且兩者冷卻液分配的流量較均衡。

圖2 不同流道結(jié)構(gòu)下冷卻液速度及進出口壓力分布云圖

如圖2(b)所示，方案二的并行流道的壓降最小，方案一的蛇形流道的壓降最大，而方案三和方案四的流道壓降大小介于方案一和方案二之間。其中原理與液體流速原理一樣，流道的壓降越大，使冷卻液流動起來需要的能量就越多，所消耗的能量也就越多，相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)能量消耗也會增加。

通過對上文研究結(jié)果分析，可以得出：同時考慮電池模組散熱效果與冷卻系統(tǒng)的能耗情況，選定最優(yōu)流道結(jié)構(gòu)為方案三結(jié)構(gòu)。后文將以方案三結(jié)構(gòu)對模組液冷散熱效果的影響進一步展開研究。

2.2 冷卻液進出口位置對電池模組散熱效果的影響

研究兩側(cè)液冷板冷卻液進出口位置對電池模組散熱效果的影響，設(shè)計了四種進出口方案，如圖3(a)所示。方案一和方案二的兩側(cè)液冷板冷卻液進口均設(shè)計在模組的上端，前者兩側(cè)液冷板的進口方向一致，后者的方向相反；而方案三和方案四的兩側(cè)液冷板冷卻液進口則都設(shè)計在模組上下兩端，前者兩側(cè)液冷板的進口方向一致，后者的方向相反。

2C倍率放電結(jié)束時的不同方案下模組溫度分布云圖如圖3(b)所示，模組的最高溫度和最大溫差數(shù)值如表3 所示。結(jié)合圖表分析可得：方案三散熱效果最好。

表3 不同方案下電池模組散熱效果對比 K

2.3 冷卻液流量對模組散熱效果的影響

仿真研究不同冷卻液流量對模組散熱效果的作用，在仿真軟件中設(shè)置模組的初始溫度與冷卻液的初始溫度都是298.15 K。

2C放電結(jié)束時模組溫度分布云圖和溫度曲線圖分別如圖4(a)和(b)所示，模組最高溫度和最大溫差如圖4(c)和(d)所示。從圖中可以看出，增加冷卻液流量雖然能夠降低模組的最高溫度與最大溫差，但降低的幅度逐漸減小。因此，冷卻液流量的選擇應(yīng)綜合考慮散熱與能耗情況。

圖4 不同冷卻液流量對散熱效果的影響

2.4 冷卻液初始溫度對模組散熱效果的影響

在冷卻液流量0.1 L/min 和環(huán)境溫度298.15 K 的條件下，仿真研究不同冷卻液初始溫度對電池模組散熱效果的影響。

2C放電結(jié)束時模組溫度分布云圖和溫度曲線圖分別如圖5(a)和(b)所示。模組最高溫度和最大溫差如圖5(c)和(d)所示。從圖中可以看出，降低冷卻液初始溫度能夠降低模組的最高溫度但同時也會增大模組的最大溫差。因此，冷卻液的初始溫度應(yīng)該選擇個中間值，不宜過低。

圖5 不同冷卻液初始溫度對模組散熱效果的影響

2.5 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對模組散熱效果的影響

本節(jié)研究流道的入口寬度、入口長度以及間距三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對電池模組液冷散熱效果的影響。其中，流道長度取值范圍依據(jù)液冷板厚度方向尺寸，流道寬度和流道間距的取值范圍除了考慮液冷板長度方向尺寸限制外，還保證了兩者之間互不干涉，比如如果流道間距過大，則流道長度應(yīng)該適當減小。仿真輸入電流均為2C。

(1)流道入口寬度

在其他條件不變情況下，仿真研究不同入口寬度(width)對模組液冷散熱的影響如圖6(a)和(b)所示，其中入口寬度取2.6、3.4、4.2 和5 mm。由圖可知，隨著流道入口寬度的加大，模組最高溫度逐漸上升，但上升范圍不大，而模組的最大溫差整體趨勢卻是下降的。

(2)流道入口長度

在其他仿真條件不變下，研究不同入口長度(length)對模組液冷散熱的影響如圖6(c)和(d)所示，其中入口長度取4、6、8、10 和12 mm。由圖可知，模組最高溫度受入口長度的影響極小，模組的最大溫差隨著入口長度的加長而上升，并且上升幅度顯著。

圖6 流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對模組散熱效果的影響

(3)流道間距

在其他仿真條件不變下，研究不同流道間距(ds)對模組液冷散熱的影響如圖6(e)和(f)所示，其中間距取23、25、27 和29 mm。由圖可知，模組最高溫度幾乎不受間距的影響，但最大溫差卻因間距的增加而逐漸變大。

3 結(jié)束語

本文在恒流放電工況下對單體電芯進行溫升的仿真與實驗研究，結(jié)果表明在不同倍率下仿真與實驗溫升曲線有很好的一致性，驗證了單體鋰離子電池?zé)崮Ｐ途哂泻芎玫臏蚀_性。其次，在單體電池?zé)崮Ｐ突A(chǔ)上建立了模組液冷散熱模型，比較分析四種不同流道結(jié)構(gòu)下模組的散熱效果，結(jié)果表明方案三結(jié)構(gòu)是具有最優(yōu)散熱性能的流道結(jié)構(gòu)。最后，以方案三結(jié)構(gòu)進一步展開研究，仿真分析在不同冷卻液進出口位置、流量、初始溫度以及流道結(jié)構(gòu)參數(shù)下模組的散熱性能。結(jié)果表明：(1)兩側(cè)液冷板的冷卻液進口位置分別設(shè)計在電池上下端時的液冷散熱效果相對較好；(2)增大冷卻液流速能夠顯著改善模組的散熱效果，但流量過大會使液冷系統(tǒng)的能量消耗增加；(3)冷卻液的初始溫度降低能使模組的最高溫度變小，但模組的溫度均勻性會變差；(4)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對模組的最高溫度影響不大，但入口寬度減小、入口長度以及間距的加大都會使模組最大溫差變大，影響溫度一致性。