動力電池包液冷系統的數值研究

程聞笛,李 波,鄧奇思,馮 偉,羅文強

(1.天能新能源(湖州)有限公司，浙江 湖州 313000；2.寶雞市科技創新交流服務中心，陜西 寶雞 721000)

1 引言

近年來，傳統化石能源的過度利用導致全球氣候變暖、大氣污染等諸多問題，給人類的生存帶來了艱巨挑戰[1]。而電能作為汽車驅動力的來源，綠色無污染，很好的解決了長期以來汽車尾氣排放帶來環境污染的問題。新能源汽車的電能主要依賴動力鋰電池包提供，鋰電池具有使用成本低、重量輕、能量密度高、無記憶效應、低自放電性及循環壽命長等優點[2-3]。新能源高配版車型續航能力如今保持在500 km～700 km，在跨區域遠程出行或遇到山區復雜路況時使用頗為不便，市場越來越需要電量更猛、能力密度超強的動力電池包出現，要求電車續航能力保持至少在1 200 km，這就對新能源汽車的動力性能提出了更高的標準。過高或過低的工作溫度都會影響動力電池的放電容量、循環壽命等性能[4-9]，因此，很有必要深入研究動力電池的產熱機理及實際工況下的溫度分布特性。當下，評價動力電池包均溫性能有兩個衡量標準：(1)模組單體電芯同一部位之間的溫差不超過5 ℃；(2)模組電芯之間的最大溫差不超過5 ℃。標準(2)行業內實現難度較大，主要是因為模組底部采用液冷板，沿模組高度方向溫度遞升很大，因此，鋰電行業普遍采用更容易實現的標準一作為均溫性衡量指標。

目前，動力電池包冷卻主要有兩種途徑，分別為氣流冷卻和液流冷卻[10-11]。氣冷適用于結構較為簡單的電池包，使用成本低，但散熱能力有限，市場使用較少，僅適用于兩輪電動車、三輪低速車等；液冷由于冷卻換熱能力強，電池組均溫性能好等優點，特別適合大電池包的復雜結構，廣泛應用于新能源高端汽車的冷卻系統。此外，還有相變冷卻及熱管冷卻，但如今大多處于實驗研究階段[12-13]。

針對傳統液冷板布置在模組底部的冷卻方式，模組沿高度方向溫度梯度變化過大，相關行業為了達成均溫性指標，被迫只能采用難度較小的標準一來衡量單體間溫差的難題，以及在模組兩側全部布置液冷板帶來材料加工成本過高的情況。該研究在傳統模組底部液冷板布局基礎上，模組中上部(沿模組高度方向)增加兩側液冷板，很好解決了模組單體電芯溫差過大的問題，為動力電池包安全高效工作提供強有力的保障。

2 電池組仿真模型建立

2.1 幾何模型

研究中，使用12個串聯的磷酸鐵鋰單體電芯模組作為發熱冷卻研究對象，其中，單體電芯容量50 Ah,長度為115 mm,高度為180 mm,厚度為32 mm[14],具體規格參數見表1所示。物理模型主要由12個單體電芯、液冷板、導熱墊及導熱膠組成，見圖1所示。液冷板壁厚為8 mm,不同液冷板內部分別設計圓柱形、長圓形、橢圓形孔，呈等間距分布，見圖2，且各個孔型的液冷板開口面積保持不變，見表2所示。液冷板針對電池模組有兩種布局方式，一種放置在模組底部，工作條件下，從底部對高溫發熱模組進行熱冷卻；另一種設計在模組底部和兩側，多方向同時對發熱模組進行熱控制，見圖3。導熱墊厚2 mm,導熱率為2 W/(m·K)；導熱膠厚度為1.5 mm,導熱率為0.3 W/(m·K)；單體電芯材料為各向異性，沿長度及高度的熱導率為20.6 W/(m·K)，厚度方向的熱導率為1.5 W/(m·K)[15]。

圖1 電池組物理模型Fig.1 Physical model of battery pack.

圖2 不同孔型的液冷板(a)圓形孔(b)長圓形孔(c)橢圓形孔Fig.2 Liquid cooling plates with different orifices(a) Circular hole (b) long circular hole (c) Oval hole.

表1 電池規格參數Table 1 Battery specifications.

表2 冷卻孔參數Table 2 Cooling hole parameters.

圖3 電池模組兩側和底部液冷板布局Fig.3 Liquid cooling plate layout on both sides and bottom of battery module.

2.2 控制方程

冷卻傳熱現象嚴格遵守物理規律，概括起來主要有三大控制方程。

2.2.1 連續性方程

(1)

式中：ρ為密度，u,v及w分別為x,y,z方向上的速度。

2.2.2N-S方程

(2)

(3)

(4)

式中：p為作用于流體單元上的壓強，單位pa;τxx，τxy，τxz為作用于微元表面的粘性力；Fx，Fy，Fz為直接作用于微元體的力，微元體僅受重力作用時，Fx=0，Fy=0，Fz=-ρg。

2.2.3 電池能量守恒方程

(5)

式中：ρ和c分別為電池的密度和比熱容，λx，λy,λz分別為電池三個方向上的熱導率,Q為電池內部的發熱量。

2.3 鋰電池的熱特性

鋰電池產生的熱量主要由兩部分組成，一部分是電池內部的化學反應熱，常溫條件下這部分熱量占比較小，另一部分是電池內部電阻引起的歐姆熱。目前，動力電池產熱情況主要由Bernardi的生熱模型來表達：

(6)

Bernardi的生熱模型基于以下假設：1.電池內部的產熱是均勻的2.材料的熱物性參數不隨溫度及荷電狀態(SOC)的變化而變化。

電池內阻與電池的充放電倍率及SOC荷電狀態密切相關，研究中，采用100 Ah單體電芯在常溫25 ℃，1 C放電倍率下進行實時仿真溫度數據與實驗測試數據對比，見圖4所示，兩者溫度偏差保持在3.15%范圍內，仿真精度較為可靠。

圖4 電芯表面幾何中心處的實測溫度與仿真溫度對比Fig.4 Comparison between measured temperature and simulated temperature at the geometric center of the cell surface.

2.4 計算域與邊界條件

計算域由物理模型、空氣域及液流域組成，如圖5所示，空氣域即模組所處的外界環境溫度設定為25 ℃；電池模組單體電芯的發熱源定義通過udf程序來加載，根據1C放電工況下的R-SOC數據(測試部門HPPC混合脈沖法測試取得)處理得到發熱功率隨時間變化的程序文件。

圖5 計算域與邊界條件Fig.5 Computational domain and boundary conditions.

冷卻液流采用質量流量進口，各個孔總進口流量為0.51 g/s，且每個分孔進口流量均等，進口冷流的初始溫度設為18 ℃，出口使用一個大氣壓的壓力出口。此外，整個計算域設置重力條件，空氣域采用不可壓縮空氣，進行瞬時計算，電池模組的初始溫度設為38 ℃，持續放電時間1 h,研究電池組溫度變化規律。

2.5 網格劃分與無關性驗證

采用 ANSYS 2020R2 Mesh對電池計算模型各個部件進行分塊網格劃分，電池模組、液冷板、導熱墊、導熱膠等使用六面體網格單元，以便提高計算效率，導熱墊沿厚度方向網格劃分兩層，空氣域采用較為稀疏的四面體網格劃分，總的網格劃分單元為582 W，網格劃分見圖6所示。

圖6 計算模型(內部模組各部件)網格劃分Fig.6 Grid division of calculation model (internal module components).

網格單元量影響仿真計算結果的精度，但網格量超過一定范圍后對精度的貢獻很小，相反會占有計算機大量存儲空間，嚴重影響計算效率，因此，仿真計算中應采用適宜的網格單元量。經網格無關性驗證，采用582 W網格單元量較為合適，計算結果幾乎不發生變化。

2.6 數值求解方法

研究中使用Fluent Solver作為求解器，設置SIMPLE算法，數值離散格式采用PRESTO！。求解格式為高階求解。收斂標準為殘差值小于10-5。

3 計算結果與分析

3.1 不同孔型液冷板對電池模組換熱影響

圖7不同孔型液冷板作用下模組的溫度分布圖可以發現，沿著模組高度方向，模組溫度持續不斷提升，尤其是模組中上部區域，這是由于底部與液冷板換熱強烈，產生的大量熱量及時被液冷板吸收掉；左右兩端的模組單體電芯由于直接于空氣接觸耦合散熱，散熱情況較好，溫度分布略低。將三個孔型的模組溫度分布進行對比分析，并結合表3統計數據可以得知，在相同入口截面積及流量的條件下，長圓形孔液冷板作用模組的最大溫差為9.0 ℃，明顯小于其他兩個孔型，與圓形孔和橢圓形孔比較，能夠及時在孔上方更大區域有效地吸收模組傳遞下來的熱量，溫度分布因而更為均勻，即對模組的冷卻作用表現更為均衡；圓形孔及橢圓形孔冷卻的模組的最大溫差為9.4 ℃和9.3 ℃，冷卻作用基本一樣，這是由于單個橢圓形孔與液冷板之間的換熱面積更大，散熱能力較強，但在總的相同入口面積這一條件的限制下，橢圓形孔的個數小于圓形孔，綜合二者，冷卻作用相當。

圖7 不同孔型液冷板作用下的模組溫度分布(a)左上方-圓形孔液冷板；(b)左上方-長圓形孔液冷板；(c)左上方-橢圓形孔液冷板；(d)正面-圓形孔液冷板；(e)正面-長圓形孔液冷板；(f)正面-橢圓形孔液冷板Fig.7 Module temperature distribution under the Action of liquid cooling plate with different orifice.(a) Top left-Circular hole liquid cooling plate；(b) Top left t-liquid cooling plate with long circular hole；(c) Top left-Oval hole liquid cooling plate；(d) Front-circular hole liquid cooling plate；(e) Front side-liquid cooling plate with long ircular hole；(f) Front-Oval hole liquid cooling plate.

表3 不同孔型對應的電池組最大溫升Table 3 Maximum temperature rise of battery pack corresponding to different hole types

3.2 液冷板布局方式對電池模組換熱的影響

通過不同孔型液冷板冷卻作用的對比研究得知，長圓形孔液冷板對高溫模組的冷卻效果較好，但模組的單體電芯之間溫差按照標準二均溫性要求仍大于5 ℃，尤其，模組中上部溫升增幅較大，研究中，為了進一步提升冷卻效果，解決模組中上部高溫聚集情況，在模組底部的長圓形孔液冷板的基礎上，模組中上部兩側增加長圓型孔液冷板，見圖3,進一步研究模組的溫度分布情況。

圖8可以發現，在模組底部及兩側液冷板的作用下，電池模組內部的溫度分布相比底部冷卻方式大幅下降，且溫度分布更為均勻，單體電芯之間的最大溫差顯著減小到3.9 ℃，完全滿足均溫性要求，說明底部和兩側冷卻方式要明顯優于單純底部冷卻。這是由于液冷板從底部和兩側方向及時的將模組產生的大部分熱量吸收掉，避免了熱量的堆積，尤其模組中上部發熱量顯著又遠離液冷板，單純底部冷卻無法及時消除掉這部分熱量，增加兩側較窄的小液冷板很好的吸收掉這部分熱量，使得模組的整體溫度分布顯得更均勻。

圖8 不同液冷板布局下的電池模組溫度分布(a)左上方-底部及兩側液冷板；(b)左上方-底部液冷板；(c)正面-底部及兩側液冷板；(d)正面-底部液冷板Fig.8 Temperature distribution of battery modules under different liquid cooling plate layouts.(a) Top left-Bottom and sides of liquid cooling plate；(b) Top left-bottom liquid cooling plate；(c) Front-bottom and side liquid cooling plates；(d) Front-bottom liquid cooling plate.

底部及兩側液冷板將模組高溫度區嚴格約束在模組底部及兩側之間的內部區域，沿電芯高度方向高溫呈花瓶狀分布。模組內部由于未與冷源直接接觸且受冷卻作用隨著與液冷板直線距離增大而變弱，以致模組內部區域產生一定熱量堆積現象。熱量傳遞到模組頂部，而頂部靠自然對流換熱強度較弱，因此，模組頂部也出現狹窄的高溫度區域。

4 結論

運用數值計算方法對液冷板作用下的模組溫度分布進行了熱特性研究。重點考察內部不同構造孔的液冷板以及液冷板布局方式對模組電芯的冷卻情況。得到如下結論。

(1)在相同入口截面積及流量條件下，長圓形孔液冷板相比圓形孔液冷板和橢圓形液冷板，能夠在冷卻孔上方更大區域及時有效地吸收模組傳遞下來的熱量，對模組電芯的冷卻作用更均衡，圓形孔液冷板和橢圓形液冷板對模組的冷卻作用相當。

(2)底部和兩側液冷板從模組的底部和兩側方向及時吸收掉模組工作產生的大量熱量，避免了熱量堆積，冷卻作用優于單純底部冷卻方式。