基于計算流體力學的液冷式鋰離子電池包散熱分析

鐘玉華 林國柱

（廣州城市理工學院汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510800）

0 前言

我國已成為世界第二經濟體，我國經濟的增長，避免不了新能源方面提供的動力，為此國家相繼出臺的一系列新能源汽車政策[1]。電動汽車、混合動力汽車都具備動力電池[2]。動力電池是目前電動汽車的唯一動力來源，是影響純電動汽車性能的重要因素之一[3]。動力電池安全性所受外界條件限制很多，比較突出的是溫度條件的限制，動力電池合適的工作溫度是保證動力電池安全的發揮良好性能的前提。越來越多的研究者對動力電池散熱性能進行了研究[4]。

該文基于鋰離子電池的工作原理、電池產熱模型等理論知識，建立了液冷式鋰離子電池包的有限元模型。基于計算流體力學方法計算了不同冷液流速情況下鋰離子電池包的溫度分布情況。

1 模型建立

1.1 單體電池的一維產熱模型

鋰離子電池是化學電池的一種的總稱，其共同特點是正、負極材料皆作為鋰離子的載體并且其電解質材料都采用非水電解質。內部離子變化促進電化學的發生，正、負電極材料上鋰的化學能大小不相同，正、負極材料上鋰的化學能差異控制著鋰離子的可循環電壓。在電池工作過程中，即充放電過程中，鋰離子在正、負電池電極之間來回移動，離子運動生成電流流動，電流在電解質中流動便能實現電能的吸收或釋放[5]。

實際上，電池在工作過程中就是一個熱源，在工作過程中，電流隨時間無規則變化，其產熱與散熱是一個隨時間變化的非穩態變化過程，對此可以用傳熱學中的導熱微分方程來表示其電池單體內部溫度的變化，如公式（1）所示。

式中：ρk為單體電池微元體的密度，單位為kg/m3；cP,k為單體電池微元體的比熱容，單位為J/（kg·K）；λk為單體電池微元體導熱系數，單位為W/m·k；Φk為單體電池微元的內熱源項，單位為W/m3。

電池內部構造復雜，空間狹小，在實踐過程中很難得到其內部發熱功率。為了簡化其生熱功率，該文通過前人實踐測量和理論計算相結合建立了電池生熱功率模型，包括反應熱和焦耳熱這兩種熱量來源。具體模型如公式（2）所示[6]。

式中：I為單體電池的電流強度，單位為A；E為單體電池的端電壓，單位V；E0為單體電池的開路電壓，單位V；Vb為單體電池體積，單位m3。

1.2 電池的三維模型

該文根據一維單體電池熱管理產熱模型轉化為實際仿真的電池包模型，對所仿真的電池模組與液冷結構構建其三維模型，通過電化學-熱耦合-流體流動的過程將三個物理場進行關聯，對仿真研究的工況設置邊界域、條件，包括傳熱域設置、傳熱邊界設置以及流動域、流動邊界的設置，然后對電池模組幾何部分進行剖分網格，最后進行分析研究，得到仿真計算結果，利用仿真軟件自帶的后處理功能對仿真結果進行處理和總結。

該電池模組散熱仿真分析用到的模型分別是單電池模型、流動和傳熱模型，該單電池模型是使用了仿真軟件中“集總電池”模型的接口。“集總電池”模型的初始參數需要設置鋰離子電池的電池容量和初始荷電狀等參數內容。把“集總電池”接口耦合到“層流”“固體傳熱”接口。分析模型有來自“層流”接口的冷卻通道中的壓力、速度以及“傳熱”接口的溫度場，并以類似方式將活性材料域中產生的熱源的平均值提供給“傳熱”接口。“電化學熱”多物理場耦節點用于在“集總電池”和“固體傳熱”接口之間耦合溫度和產生的熱源。三維幾何模型如圖1 所示。

圖1 電池的三維幾何模型模型（mm）

該電池內部管道設計如下：內部由五根管道進行冷卻，橫管道相距皆5mm，縱向管路相距皆為10mm，5 條管道都呈一個阿拉伯數字“2”的形狀。冷卻板內部管道布局如圖2 所示。

圖2 電池內部管道布局

電池組的重復單電池由包括流道的冷卻翅片組成，每側放置一個電池。冷卻翅片和電池的厚度均為2mm，將厚度求和得到單電池的總厚度6mm，由兩個棱柱電池和包括五條冷卻通道的冷卻翅片板組成電池組的單電池，模擬的電池組幾何由三個堆疊的單電池和兩個流動連接器通道組成，一個通道在冷卻翅片的入口側，另一個在出口側，如圖3 所示（幾何中未包括的電池組中的單電池從y=0 開始在負y方向延伸）。

圖3 液體出入口位置圖

2 仿真分析

2.1 參數設置

冷卻液材料定義：在仿真軟件中選擇內置材料——Water，liquid。冷卻翅片材料設置：在仿真軟件中選擇內置材料——Aluminum。在材料的設置窗口中輸入材料屬性，在表中輸入以下設置[7-9]，見表1。

表1 材料參數設置

2.2 結果討論

對網格合理劃分能減少計算機的計算內存、方便對該模型的計算，對該電池模塊詳細劃分各塊部分的大小，對比較簡單的模塊直接選擇大小值大些的數值，便能將該模型簡單劃分好。對復雜的部分模塊選擇自由四面體，鑒于該模型的各個部分并非過于復雜，自由四面體選項都可針對該模型進行劃分。雖然四面體網格劃分并不能達到一定的計算精度且計算速度并不如六面體的快，但四面體劃分法對任何模型都適用。該網格模型如圖4 所示。

圖4 電池模組的網格模型

仿真中使用“層流”接口求解冷卻通道中的速度和壓力，使用“傳熱”接口求解溫度場。流動室由兩個連接器通道和冷卻翅片中的通道組成，使用水的材料屬性來模擬冷卻流體，將入口溫度作為輸入來計算流體屬性。流動邊界條件：由于所模擬的單電池是較大電池組中的最后幾個單電池且所模擬的幾何不是完整的電池組，該流動室具有兩個入口。流動通過所模擬的冷卻翅片板流進入口1，而之前已通過電池組中冷卻翅片的流動（未包括在模型中）流進入口2。假定電池組中每個翅片的平均流量為0.5cm3/s（設置單位轉化為0.5×10-6（m3/s）），假設平均流量為0.5×10-9（m3/s）為自然冷卻條件，即冷卻室無液冷劑流動。將模擬的冷卻翅片數量定義為Nfins，model=3，將電池組中冷卻翅片的總數定義為Nfins，pack=50。電池模組流體室中的壓力如圖5、圖6 所示。

圖5 流速為0.5×10-6（m3/s）時表面壓力（Pa）

圖6 流速為0.5×10-9（m3/s）時表面壓力

當流速為0.5×10-9（m3/s）時，冷卻管道的壓力值接近于零值，但從圖5 中可以看到部分管道有接近600Pa 的壓力值。可以說明的是，流速為0.510-9（m3/s）時，液冷管道時幾乎沒有液冷劑在中流動，也說明上面的假設是正確的。

在液體冷卻下電池的溫度云圖如圖7 所示。從圖7 可以看出，在冷夜作用下該電池溫度最高為321K，最低溫度為310K，均在電池合適的工作范圍內。

圖7 冷液作用下的表面溫度云圖（K）

3 結語

該文以某種動力電池包為研究對象，建立了電池一維傳熱模型和三維傳熱幾何物理模型，利用有限元仿真軟件分析了不同流速下電池內部壓強以及溫度分布云圖，驗證了電池設計的合理性。后續還有問題需要持續進行研究，主要包括以下方面。1）此次研究對象僅是電池箱的一部分模組，在以后的研究中，在設備能達到這種計算能力的話，可以嘗試整個電池包的溫度場的分析。2）仿真研究結果終究不是真實的試驗結果，獲得的分析結果并不一定正確，所以在有條件時還需要進行試驗，把得到的溫度場、壓力值、管道速度值等分析結果與仿真得到的結果進行對照，如果誤差不超過5%，那么仿真結果會更加可信。3）對液冷結構的冷卻管道部分進行優化后再做比較，進行仿真分析，得到較好的液冷結構。