液冷鋰電池組溫度均衡性研究

張威，何鋒，王文亮

（550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院）

0 引言

隨著能源短缺和環境污染的日益加劇，使用清潔能源的純電動汽車逐漸成為汽車行業的發展趨勢。鋰電池因其具有能量密度高、使用壽命長和重量輕等優點，已被廣泛應用在純電動汽車上。純電動汽車上所搭載的鋰電池組多為電池單體通過串并聯組成，車輛在行駛過程中，電池會產生大量熱量，而電池組溫度過高或電池單體間溫差過大都會影響電池的使用性能甚至發生危險[1]。有效提升電池組散熱性能，同時改善電池單體間溫差對保障純電動汽車動力性和安全性都具有重要意義。

目前，鋰離子電池的散熱方式主要有風冷、液冷以及相變冷卻等。風冷結構簡單，但由于空氣的換熱系數低，導致其散熱效率受到限制。相變冷卻受限于自身散熱原理，無法滿足長時間的熱管理需求，在工程領域中應用較少。而液冷因冷卻介質具有比熱容大、流動性好等特點，在鋰電池冷卻中已得到廣泛應用。許多學者針對鋰電池液冷散熱展開了多方面研究。Wang Haitao[2]等設計了模塊化冷板，方便在不同電池單體排布情況下的冷板組合，并研究了流道方向、冷卻液溫度和流速對電池組溫度的影響；馮能蓮[3]等設計了蜂巢式液冷電池組散熱模塊。經試驗表明，所設計的電池組散熱模塊能夠較好地控制電池工作在舒適溫度范圍內；Zhou Haobing[4]等設計了一種風冷與液冷復合式散熱結構，采用波浪形通道與風冷同時對圓柱形鋰電池組進行散熱。研究表明，合理選擇通道內冷卻液流向對控制電池組溫度有積極作用；廖智偉[5]利用正交試驗的優化方法，分析乙二醇比例、對流換熱系數、冷卻液溫度和流速對電池組溫度的影響規律，并尋找到4個因素的最優組合，保障電池組在2C 放電過程中的正常工作。

但是，對鋰電池液冷散熱方面的研究主要集中在降低電池組最高溫度方面，對改善電池單體間溫差的研究較少。本文以18650 電池為研究對象，分析了冷板高度和冷卻液流速對電池組溫度的影響，在此基礎上設計了一種高度呈梯度變化的冷板結構，并優化冷板內部流道，降低電池組最大溫差，提升溫度均衡性。

1 鋰電池熱模型

電池單體選用18650 電池，額定容量2.2 A·h，標稱電壓3.7 V。針對電池生熱速率的計算模型，目前廣泛采用的為Bernardi 生熱速率模型，該模型假設電池生熱在電池單體中均勻分布，其一般表達式為[6]：

式中：q——體積生熱量，W/m3；I——電池充放電電流，A；V——電池體積，m3；Uoc——電池開路電壓，V；U——電池工作電壓，V；T——熱力學溫標，K；——溫度影響系數。

其中，溫度影響系數可選用0.000 469 V/℃[7]，Uoc-U 可以用充放電電流T 與內阻R 的乘積表示，則生熱速率表達式可等效為

在充放電過程中，電池內阻是隨著環境溫度和電池SOC 的變化而變化的，為獲得電池單體在某一溫度下的內阻隨SOC 的變化情況，對18650電池單體進行混合脈沖功率性能測試，實驗設備如圖1 所示，恒溫箱溫度設置為30 ℃。實驗得到電池SOC從100%降到10%各狀態下的內阻值。

圖1 實驗設備Fig.1 Experimental equipment

對實驗數據進行8 階多項式擬合，擬合曲線如圖2 所示。電池內阻R 與SOC 關系式為

圖2 電池內阻隨SOC 變化擬合曲線Fig.2 Fitting curve of battery internal resistance with SOC

根據電池生熱模型，可得到恒流放電下生熱速率與SOC的關系式，而電池的SOC與時間有關，即得到生熱速率與時間的關系。

2 鋰電池組仿真分析

2.1 冷卻結構

建立電池組冷卻結構幾何模型如圖3 所示。電池組由48 塊18650 鋰電池單體組成，電池單體間隙2 mm，均勻分布在冷板兩側。電池與冷板之間布置有導熱硅膠，硅膠與電池接觸面的曲率半徑和電池半徑相同，且高度與冷板高度同為h，冷板內部采用直徑為2 mm 的直流道。

圖3 電池組冷卻結構Fig.3 Cooling structure of battery pack

2.2 邊界條件與網格無關性驗證

冷板材料選用鋁，冷卻液選用50%乙二醇溶液。材料熱物性參數如表1 所示[8]。

表1 熱物性參數Tab.1 Thermophysical parameters

選用高度h=45 mm 的冷板進行仿真分析，電池與硅膠接觸面、硅膠與冷板接觸面均為固固耦合面，冷板與冷卻液接觸面為固液耦合面。設置速度入口邊界為0.1 m/s,壓力出口邊界為標準大氣壓，計算得到入口處最大雷諾數遠小于2 300，因此仿真過程中使用層流模型。冷卻液溫度為25 ℃，環境溫度30 ℃，電池、冷板和硅膠的對流換熱系數均為5 W/（m2·K）。

對電池組幾何模型進行網格劃分，網格數量對計算結果的影響如圖4 所示。由于當網格數量增加到12 萬個以上時，對計算結果影響范圍小于0.04%，因此網格數量選擇12.11 萬個。

圖4 網格無關性驗證Fig.4 Grid independence verification

2.3 結果分析

將生熱速率與時間的關系編譯為UDF 熱源程序導入Fluent 中，電池組以2C 放電結束后，得到電池組和冷卻液溫度云圖，如圖5 所示。

圖5 電池組和冷卻液溫度云圖Fig.5 Temperature nephogram of battery pack and coolant

結果顯示，電池組最高溫度37.85 ℃，最大溫差6.36 ℃，冷卻液溫度上升了12.03 ℃。在冷卻液入口處電池溫度最低，出口處溫度最高，這是由于隨著冷卻液的流動，電池與冷卻液之間不斷發生熱交換。在入口處，冷卻液與電池間溫差大，熱交換效率高，電池冷卻效果顯著；在出口處，隨著冷卻液溫度不斷升高，電池與冷卻液間溫差逐漸減小，熱交換效率降低，電池冷卻效果下降，從而造成冷卻液入口處的電池和出口處的電池間存在較大溫差。

3 散熱影響因素分析與冷卻結構優化

3.1 冷板高度及入口流速的影響

為研究冷板高度和冷卻液流速對電池組溫度的影響，設置冷板高度h 分別為35，45，55，65 mm，入口流速分別為0.1，0.15，0.2，0.25 m/s。電池以2C 放電結束后，電池組在不同冷卻條件下的最高溫度和最大溫差如圖6 所示。

圖6 冷板高度h 和入口流速對電池組溫度的影響Fig.6 Effect of cold plate height h and inlet velocity on the temperature of battery pack

由圖6 可知，在不同流速條件下，隨著冷板高度由35 mm 增加到65 mm，電池組最高溫度分別下降了3.19，2.95，2.80，2.71℃，最大溫差分別下降了2.09，1.80，1.61，1.50℃。在不同冷板高度條件下，隨著入口流速由0.10 m/s 增加到0.25 m/s，電池組最高溫度分別下降3.71，3.26，3.22，3.23℃，最大溫差分別下降2.50，2.10，1.95，1.91℃。當冷板高度h 不小于45 mm，且流速不低于0.20 m/s 時，電池組最大溫差降低到5 ℃以內?？芍?，增大冷板高度和冷卻液入口流速對降低電池組最高溫度和最大溫差均有積極作用。

3.2 冷板結構優化

由于電池組從冷卻液入口處至出口處溫度逐漸升高，且存在一個明顯的梯度變化，而冷板高度越高，電池冷卻效果越好。根據這一特性，設計高度h 呈梯度變化的冷板如圖7 所示。將冷板均分為4 組，1～4 組的高度分別為50，55，60，65 mm。增大入口流速可以提升電池組冷卻效果，但效果逐漸減弱，同時也需加大泵的功率，能量消耗增加。綜合考慮，選擇入口流速為0.20 m/s，冷卻液溫度25 ℃，環境溫度30 ℃。電池2C 放電結束后溫度云圖如圖8 所示。

圖7 高度梯度變化冷板結構Fig.7 Cold plate structure with height gradient change

圖8 高度梯度變化冷板電池組溫度云圖Fig.8 Temperature nephogram of cold plate battery pack with height gradient change

結果顯示，電池組最高溫度34.27 ℃，最大溫差3.87 ℃。相比h=65 mm 的冷板結構，電池組最高溫度降低0.49 ℃，最大溫差降低0.79 ℃。原因在于，高度梯度變化冷板與高度為定值冷板相比，在入口處，冷板與電池接觸面積小，換熱量少，冷卻液溫度上升小，后程冷卻液與電池間溫差增大，換熱量增大，使得出口處電池獲得更好的冷卻效果。通過高度梯度變化冷板結構，解決部分由于后程冷卻液溫度上升所造成的溫差問題。

3.3 流道結構優化

為增強電池組散熱效果，獲得更好的溫度均衡性，對流道結構進行優化。

方案1：采用S 型流道結構，增大冷卻液在冷板內的覆蓋面積，獲得更好的換熱效果。設置入口流速為0.20 m/s，冷卻液溫度25 ℃，環境溫度30 ℃。電池2C放電結束后溫度云圖如圖9所示。

圖9 方案1 溫度云圖Fig.9 Scheme 1 temperature cloud

結果顯示，電池組最高溫度33.33 ℃，最大溫差2.28 ℃。相比直流道結構，電池組最高溫度降低0.94 ℃，最大溫差降低1.59 ℃。原因在于，冷卻液與冷板間接觸面積增加，熱交換效率高，且S 型流道結構使電池組兩端的冷卻液溫差減小，從而降低電池組兩端溫度差異。但冷卻液出口處電池溫度依舊明顯高于入口處電池溫度，具有進一步優化空間。

方案2：為改善冷卻液后半程溫度過高，造成換熱效果下降的問題，采用雙入口S 型流道結構，設置入口流速為0.20 m/s，冷卻液溫度25 ℃，環境溫度30 ℃。電池2C 放電結束后溫度云圖如圖10 所示。

圖10 方案2 溫度云圖Fig.10 Scheme 2 temperature cloud

結果顯示，電池組最高溫度31.22 ℃，最大溫差1.31 ℃。相比單入口流道結構，冷卻液最高溫度降低2.33 ℃，電池組最高溫度降低2.11 ℃，最大溫差降低0.97 ℃。雙入口S 型流道結構保證了冷卻液在冷板內覆蓋面積的同時，減小了流程，能夠及時將高溫冷卻液排出冷板，冷卻液在入口處和出口處間溫差減小，使冷板保持良好的散熱效果，從而獲得更好的電池組溫度均衡性。

4 結論

對18650 電池進行內阻測試，獲得電池生熱速率隨時間的變化關系。在此基礎上，對影響電池組溫度的因素展開研究，并優化冷板結構，得出以下結論：

（1）冷板高度和冷卻液流速的增大，均對電池組冷卻具有積極作用；高度呈梯度變化的冷板結構相比于定值結構，電池組最大溫差下降17%，最高溫度下降1.4%，溫度均衡性獲得提升；

（2）S 型流道相比直流道結構，電池組最大溫差降低41.1%，最高溫度降低2.7%；而雙入口S 型流道相比于單入口S 型流道結構，電池組最大溫差降低42.5%，最高溫度降低7%，且溫差在1.5 ℃以內，具有良好的溫度均衡性。