軟包電池組的冷卻結構設計及熱仿真優化

彭連兵，吳煒烽，晏裕康，徐建全

(福建農林大學機電工程學院，福建福州 350108)

電動汽車的續航里程一直制約著其快速發展，并且國內新能源汽車補貼政策對電池能量密度提出更高要求，所以更高能量密度的鋰離子電池將會被生產應用。軟包鋰離子電池憑借其能量密度高、安全性好、內阻低等優點，在電動汽車的應用也逐漸增多，因此對其進行熱管理系統設計將是必要的。

目前的電池熱管理方法主要是空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻。由于空氣冷卻散熱系統受外界環境溫度影響較大，且電池溫度均勻性較差，一般運用于混合動力汽車上。相變冷卻熱管理系統雖能很好地緩解電池內部的溫升，降低電池的溫度差異，但是其會增加電池模組的體積與質量，且目前尚未應用于汽車上。液體冷卻因其較高的熱導率和比熱容，較空氣冷卻有更好的冷卻能力。CHEN SQ 等[1]設計了一款具有微通道的液冷結構，可以實現電池在0.5C、1.0C和1.5C放電倍率下最高溫度保持在26、32 和40 ℃之內。WANG HT等[2]研究了冷卻液流速與冷卻方式對電池溫度的影響，發現在一定流量范圍內，提高冷卻液流速能很好降低電池最高溫度，并且相較于串行冷卻，并行冷卻能改善電池的溫度均勻性。DONG F 等[3]研究了液冷板的長度、寬度和高度三個參數對冷卻效果的影響，發現增加流道的長度和寬度能將電池的最高溫度控制在40 ℃內，溫差在2.5 ℃以下，而高度對溫度的影響不大。閔小滕等[4]等針對圓柱形電池設計了波形扁管，分析了冷板的通道數和接觸角對電池散熱的影響，結果顯示增大接觸角可以很好地降低電池的最高溫度和改善溫度均勻性。

本文采用液冷板加導熱片進行軟包電池冷卻，此方案結構較為緊湊且經濟性好。之前的學者對軟包電池的熱管理研究較少，且大部分研究仿真分析時直接將電池與冷板接觸，增加了傳熱面積，這與實際并不相符，且忽略了導熱硅膠墊的熱阻。因此，對軟包電池組進行合理的熱仿真，對后續的整車應用有重要意義。

1 電池生熱模型的建立與驗證

1.1 電池熱物性參數的確定

本文研究的是某公司生產的17.5 Ah 軟包三元鋰離子電池，根據電池的質量和體積，計算出電池的平均密度為1 070 kg/m3；然后采用瞬態平面熱源法，測得電池沿水平方向和厚度方向的導熱系數分別為18.02 和1.09 W/(m·K)；最后用加速量熱儀，測得電池單體的比熱容為950 J/(kg·K)。

1.2 電池生熱模型的建立

由簡化的Bernardi[5]生熱速率模型可知，電池的生熱主要由可逆熱和不可逆熱組成，而這兩部分與電池的內阻、開路電壓和溫度有關。式(1)與(2)分別描述了電池的不可逆熱與可逆熱。

式中：qirr為不可逆熱，W；qre為可逆熱，W；I為電池工作電流，A；Uocv為電池開路電壓，V；U為電池端電壓，V；R為電池的內阻，Ω；T為電池的溫度，K。

采用混合脈沖功率性能放電測試(HPPC)實驗，得到不同放電倍率下內阻隨SOC變化的關系曲線，得到其多項式為:

之后，在初始環境溫度為25 ℃時，測得不同SOC下開路電壓與溫度的關系，如圖1 所示。在電池放電時，熵熱系數大于零，此時表現為吸熱；熵熱系數小于零時，表現為放熱。多數論文都將電池的熵熱系數看作定值，這就可能造成一定誤差。

圖1 熵熱系數

本文在電-熱耦合模型的基礎上，通過實驗測定電池的內阻、熵熱系數隨SOC和溫度的變化，用擬合函數的方法進行建模仿真,得到其生熱速率公式：

式中：Ro為歐姆內阻，Ω；Rp為極化內阻，Ω；I為電池工作電流，A；T為電池的溫度，K；V為電池單體的體積，m3。

將式(4)進行編程后，使用Fluent 軟件模擬不同放電倍率下電池生熱隨SOC的變化情況。

1.3 實驗與仿真的對比分析

將電池表面的溫度監測點數據隨放電時間變化擬合成曲線，與實驗數據對比分析，如圖2 所示。從圖中可以看出，實驗與仿真的曲線趨勢一致，在0.5C放電倍率下，實驗與仿真的溫差小于0.5 ℃；1.0C放電倍率下，溫差小于1 ℃；2.0C放電倍率下，溫差小于3 ℃。在不同放電倍率下，仿真的電池溫度與實驗值在放電前期、中期和后期基本一致，誤差不超過1 ℃，只有到了放電末期，由于電池的內阻激增，溫度相差較大。實驗與仿真的結果驗證了該電池生熱模型的準確性，為后續的熱管理設計做基礎。

圖2 實驗與仿真溫度對比

2 液冷系統的設計與分析

2.1 液冷板結構的優化

該電池包最初采用的串并聯的冷板布置形式(如圖3 所示)，仿真得到其進出口壓差為45 kPa，會導致水泵的功率較大，且各冷板上的電池溫差較大。因此，將液冷板改進為5 塊冷板并聯形式，進出口的邊界條件不變，分析了5 種不同的流道結構對應的壓力與溫度分布情況。a 為整體式流道，b 為整體式流道變形，c 為單流道匯流，d 為S 型流道-進出水口同側，e 為S 型流道-進出水口異側，如圖4 與表1 所示。對不同方案的流道布置進行流場和溫度場的仿真，以壓差×最高溫度作為評價指標之一，其值要盡可能的低。發現方案d 的乘積最大，首先將其排除。其次，方案b 的溫度最高，較其他方案高出3 ℃左右，也將其排除。因此，在方案a、c 和e 中進行選擇。雖然方案a、c 的壓差×最高溫度值較方案e 低，但是方案e 的溫度是三者中最低的，且其冷板的布置形式更便于加工。經過綜合分析，方案e 較優，其布置形式能夠有較低的電池溫度和較小的壓差。

圖3 液冷流道分布

圖4 不同流道結構

表1 不同方案的對比

針對方案e，考慮了流道寬度、擾流柱大小與排布等結構參數對液冷板壓差及電池溫升的影響，采用正交實驗的方法，挑選出不同結構參數對液冷板的影響，采用L16(43)的正交表，如表2 所示。根據表2 的計算結果，得到影響壓差的因子重要順序為A＞C＞D＞B，影響最高溫度的因子重要順序為A＞D＞C＞B，可以看出A 因子的影響因素最大。其中，壓差最小的方案為A3B1/B2C1D1，溫度最低的方案為A1B1C3D3，兩評價指標的方案不一致，需進行綜合考慮。最終選擇A2B1C2D2，這樣既保證了較小的壓降，也降低了最高溫度。

表2 四因素三水平分布表

2.2 導熱片厚度對電池溫升的影響

由于軟包電池四周有鋁塑封邊，不利于與液冷板直接接觸，所以在模組成形后，采用電池單體間夾一塊導熱片，然后將熱量傳遞到液冷板上。導熱片的初始厚度設置為0.3 mm，然后逐漸增加到1 mm。從圖5 可以看出，電池的最高溫度隨著導熱片的厚度增加而降低，但是厚度增加到一定程度，電池溫度變化不大。厚度從0.3～0.6 mm 時，每增加0.1 mm，電池溫度下降0.5 ℃，而再增加厚度，電池溫度下降不明顯。因此，電池導熱片的厚度應該在0.3～0.6 mm 區間選擇，考慮到整體布局和散熱效果，最終選擇0.5 mm 的導熱片。

圖5 電池溫升隨導熱片厚度變化的曲線

2.3 導熱硅膠墊對電池溫升的影響

在很多文獻的電池熱管理設計中，都未考慮或者忽略導熱硅膠墊對電池溫升的影響，將電池與冷板的接觸考慮為緊密接觸，而實際上兩者存在間隙，有較大的空氣熱阻。目前，導熱硅膠墊的導熱系數范圍為0.8～8.0 W/(m·K)，本文取其導熱系數為2 W/(m·K)，厚度為1 mm。從圖6 可知，考慮硅膠墊的熱阻時，電池的溫度上升了近1 ℃，這對仿真結果有較大影響，不能忽略。

圖6 有無熱阻的對比曲線

3 電池模組的仿真分析

針對單冷板及4 個8P5S 模組構成的電池液冷系統，簡化其三維模型，如圖7 所示。將極耳生熱忽略，去除電池的支架、框架等與傳熱路徑無關的零件，電池的傳熱路徑為電池單體到導熱片，導熱片到硅膠墊，硅膠墊到液冷板，液冷板與冷卻液進行熱交換。

圖7 電池模組簡化圖

3.1 不同冷卻液流速下的電池溫度分布

由于冷卻液的流速與電池的整體溫度緊密相關，合適的入口流速有利于對電池包快速的降溫并降低功耗。選取入口流速為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 L/min，入口溫度與電池初始溫度為25 ℃，放電倍率為1.0C。以2.0 L/min流速的電池模組為例，得到放電末期的溫度云圖如圖8 所示。可以看出，靠近液冷板入口的位置，電池的最高溫度越低，從左至右，電池模組的溫度在逐漸上升。圖9 為不同流速下電池單體的溫度曲線圖，可以看出，隨著冷卻液流速的增加，電池的最高溫度與最低溫度都在下降。入口流量從1.0 L/min 增加到2.0 L/min，每增加0.5 L/min，最高溫度下降超過1 ℃；當入口流量超過2.0 L/min 時，最高溫度下降將小于0.5 ℃。因此，冷卻液流速在一定范圍內增大有利于降低電池最高溫度，但冷卻液流速不能一直增加，這樣只能徒增水泵功耗，而并不能達到很好的冷卻效果。根據圖9的溫度曲線趨勢，選擇入口流速為2.0 L/min的冷卻液，能夠實現較好的散熱效果和較低的水泵功耗。

圖8 2.0 L/min流速下的溫度分布

圖9 不同流速下的電池最高溫度和最低溫度

3.2 不同環境溫度下的電池溫度分布

設置電池的環境溫度分別為25、30、35、40、45 ℃，冷卻液入口溫度為25 ℃，入口流速為2.0 L/min。以環境溫度45 ℃為例，得到1C放電倍率下電池放電末期的溫度云圖，如圖10所示。在環境溫度45 ℃下，整個電池模組的最高溫度在放電末期也未超過40 ℃，始終工作在適宜的溫度范圍內。圖11 為不同環境溫度下電池的溫度曲線，可以看出，電池6 與電池2的溫差接近3 ℃，這是因為電池6靠近冷卻液入口，電池2遠離冷卻液出口且夾在中間散熱不好。1～5 號電池的平均溫差在4.5 ℃以內，6號電池在5 ℃以內，均小于5 ℃，電池單體的溫度均勻性較好。該冷板在不同的環境溫度下，能保持良好的散熱能力和維持電池溫度均勻性，符合設計要求。

圖10 環境溫度45 ℃下的電池溫度分布

圖11 不同環境溫度下的電池最高溫度與最低溫度

3.3 不同冷卻液溫度下的電池溫度分布

設置電池冷卻液入口溫度為10、15、20、25、30 ℃，入口流速為2.0 L/min，電池表面溫度為30 ℃。以入口溫度30 ℃為例，得到1C放電倍率下電池放電末期的溫度分布云圖如圖12 所示。從圖可以看出，當入口溫度與電池初始溫度均為30 ℃時，電池模組放電末期的溫度已接近40 ℃。圖13 為不同冷卻液入口溫度下的電池溫度曲線，可以看出，電池單體的溫度隨冷卻液入口溫度的升高而升高，冷卻液溫度每升高5 ℃，電池整體溫度上升4.5 ℃左右。在不同入口溫度下，電池單體的溫差均未超過5 ℃，具有良好的溫度均勻性，驗證了該冷板良好的散熱能力。

圖12 冷卻液30 ℃下的電池溫度分布

圖13 不同冷卻液溫度下的電池最高溫度與最低溫度

4 結論

(1)通過實驗與仿真，建立了軟包鋰離子電池的生熱模型，能準確反映電池單體的溫升情況。在0.5C放電倍率下，電池溫差不超過0.5 ℃；在1.0C放電倍率下，電池溫差不超過1 ℃；在2.0C放電倍率下，電池溫差不超過3 ℃。

(2)分析了5 種不同流道布置的液冷板，得到方案e 效果更優。在此基礎上，考慮了流道寬度、擾流柱大小與排布等結構參數對液冷板壓差及電池溫升的影響，采用正交實驗的方法，挑選出不同結構參數對液冷板的影響。最終選取流道寬度為50 mm，擾流柱排列方式為叉排1 方式，擾流柱直徑為8 mm，個數為12 個，這樣既能保證較低的液冷板壓降，又能保證電池包工作的溫升較小。此外，還考慮了導熱片厚度、導熱硅膠墊對電池溫升的影響，應選取導熱片厚度為0.5 mm，并且不能忽略導熱硅膠墊對電池溫升的影響。

(3)通過對單塊液冷板組成的電池組進行熱仿真分析，得到在2.0 L/min 的入口流速下，電池能到較好的降溫效果。當電池環境溫度為25～45 ℃，入口溫度為25 ℃時，電池的最高溫度都未超過40 ℃，電池單體的平均溫差均未超過5 ℃；當冷卻液入口溫度為10～30 ℃，環境溫度為30 ℃，電池的最高溫度也未超過40 ℃，電池單體的溫差也在5 ℃以內。證明該冷板能在不同的工況下，對電池模組進行了良好的散熱，并保證電池溫度的均勻性。