鋰離子電池液冷管路優化

陳 皓 ，趙福云，2，譚志成，姚奕合

（1.湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

鋰離子動力電池具有能量密度高、循環壽命長、電荷保持能力高且無記憶效應等優點，在混合動力以及電動汽車等多種電動設備中得到了廣泛應用[1-2]。現階段，動力電池作為目前比較主流的化學電源，在內部由化學能轉化為電能時，因發生復雜的電化學反應，而產生大量熱量。大量熱量在電池內部聚積時，會加快化學反應速率，使得電池溫度不斷升高，這可能導致漏液、爆炸等情況，電池的壽命以及各使用人員的安全得不到有效的保障。因此，電池熱管理系統在保障電池運行中具有重要作用[3-4]。

電池組內部溫度分布均勻性控制是當前的研究熱點。電池溫度分布不均勻，不僅會造成電池容量失衡，還會直接導致電池性能折損，破壞電池的同一性及可循環性[5-7]。因此，需保證電池內部溫度的均勻性，電池溫差應控制在0～5 ℃，最高溫度范圍控制在20～50 ℃，以此使電池的性能保持最大優勢[8]。

市場上現存有方形、圓柱形和薄片型3 種結構形式的鋰離子電池。方形鋰離子電池尺寸的可塑性和靈活性較強，圓柱形電池形狀單一，且需特定裝置固定配合。方形鋰離子電池包的冷卻方式分為空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻以及相變冷卻。空氣冷卻僅依靠空氣與電池的對流換熱來帶走鋰離子電池電化學反應產生的熱量，空氣的熱導率較低，散熱效果難以滿足鋰電池的正常需求[9]。相變材料存在導熱性能低、封裝困難等缺點，需要填充材料如金屬填料[10]、膨脹石墨[11]、翅片[12]等來增加其散熱性，提高導熱率。液體冷卻可增加電池與液冷板之間的換熱效果，并且液冷具有較好的溫度均勻性，相較于空氣冷卻，冷卻效率以及NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能更佳[13]。Huo Yutao 等[14]針對方形鋰電池設計了微通道冷卻，對比不同微通道的數量、冷卻液入口方向的模擬，結果顯示冷卻液存在一個最優質量流量，如果超過該流量，電池冷卻系統的效率會降低。王曉斌等[15]設計了液冷板不同工藝類型、流道、尺寸的對比實驗，發現在保證電池溫度以及合理溫差范圍內，要平衡電池與液冷板間縱向導熱能力和橫向導熱能力。動力鋰離子電池的高能耗、快速充電已是基本要求，所以在高倍率充放電情況下，對電池熱管理系統進行優化，使電池的溫差及最高溫度在合理范圍內。

因此，本文擬針對方形鋰離子電池液冷散熱方式進行模擬仿真實驗。對電池的管道進行重新優化設計，將原模型的液冷板修改為微通道液冷方式，并且在電池的兩側增加液冷管道，增加電池與液冷板的接觸面積，同時增強對電池的固定包裹性，以有利于提升電池的安全性能。通過數值模擬，對比優化前后的最大溫差以及最高溫度可知，在高倍率放電的情況下，更改冷卻液入口溫度，優化后的電池最大溫差以及最高溫度皆在其最佳工作范圍之內。

1 鋰電池組模型建立

1.1 電池生熱速率及傳熱速率模型

模擬車載鋰離子動力電池液冷管路系統由正負極、隔膜、電解液、集流體、硅膠、液冷板等組成。電池生熱速率是電池熱管理中評價和分析的重要基礎。電池的結構、使用條件、電流密度、荷電狀態以及環境溫度等眾多因素，在試驗中具有非線性并且難以準確測量[16]。

在單體電池的生熱速率計算方面，目前廣泛使用Bernardi 電池生熱速率方程計算[17]，計算式如下：

1.2 熱物性參數

電池組件各部分材料不同，所以各組件的熱物性參數各不相同。鋰電池的結構為層疊結構，其導熱系數在不同方向上不同。鋰電池各層并聯，厚度方向電池各層結構串聯。根據串并聯原理，可以估算各個方向的熱物性參數。其中x為厚度方向，y、z分別為平行于電池方向面的水平方向和豎直方向，x、y、z方向的導熱系數分別為

式（2）（3）中：Li為相應方向電池各部分的長度；ki為相應方向電池各部分的導熱系數。

電池單體的定壓比熱容Cp一般被看做常數，其計算公式為

式中：Ci為各電池組件的比熱容；mi為各電池組件的質量；mb為電池總質量。

電池的平均密度為電池的總質量與電池的總體積之比，其表達式為

電池材料的熱物性參數如表1所示。

表1 電池材料的熱物性參數Table 1 Battery material properties

1.3 物理模型

鋰離子動力電池模組如圖1所示，模組結構為1P3S（一并聯三串聯）。整個模組由3 塊方形電池、導熱元件以及方形液冷通道組成。導熱元件為絕緣硅膠，厚度為2 mm，與電池之間緊密貼合。由于硅膠有良好的導熱性能，在電池運行產生大量熱量時，可以使熱量分布更加均勻。液冷板在電池底部，通過液冷板內流體不斷流動，帶走電池運行時產生的熱量，從而達到降溫效果。由于電池包相同，冷卻結構中不同單元的傳熱機制相同，因此從中選取一個單元作為研究對象。

圖1 電池模組幾何模型Fig.1 Battery module geometric modeling

單個鋰離子電池的相關參數如下：尺寸為130 mm×36 mm×108 mm；標稱容量為60 A·h；正極材料為鋁，負極材料為銅；額定電壓為3.7 V，最小終止電壓為3.0 V，最大終止電壓為4.3 V。

1.4 網絡劃分

首先在Space-claim 中建立模型，再將其導入Fluent-mesh 中，對其幾何模型進行網格劃分，在電池外殼及液冷板外部設置較大的網格尺寸。液冷通道部分設置比較精細的網格尺寸，最小尺寸為0.4 mm，最大尺寸為4.5 mm，電池網格模型如圖2所示。

圖2 電池網格模型Fig.2 Battery grid model

在計算中，網格精度對計算結果以及解的收斂性影響較大，在對模型邊界條件設定時需要保證精度值準確。對模型的網格獨立性進行了驗證，得到的結果如圖3所示。1C放電時（C為放電倍率），在4 種不同的網格數量下，模擬出電池的最高溫度。由圖3 可知，隨著網格數量的增加，電池最高溫度在網格數量低于6.7×105時，最高溫度有明顯的變動，之后的溫度變化趨于平穩收斂。為減少計算量，最終取軟件網格生成數量為675 068。

圖3 網格獨立性驗證結果Fig.3 Grid independence verification results

1.5 初始和邊界條件

模塊的初始溫度以及冷卻液溫度為300 K，工作環境溫度固定為300 K。正極為鋁，負極為銅，電芯以及硅膠等材料物性參數見表1。液體入口設置為速度入口，速度值為0.1 m/s；出口設置為壓力出口，表壓設置為0 Pa，壁面與外界空氣進行熱交換，壁面的傳熱系數為5 W/（m2·K）。電池軸向面為對稱結構，與其接觸的表面均為耦合面。

數值計算采用Fluent 對電池模組進行瞬態模擬，空間導數項采用二階迎風差分格式，時間導數項采用一階隱式格式，使用SIMPLE 方法處理壓力-速度的耦合。

1.6 電池模型的試驗驗證

為了保證數值計算的準確性，本次模擬將與文獻[18]所測得試驗值進行對比分析，電池在1C放電以及冷卻液流速為0.1 m/s 的情況下，將試驗的3 塊電池的平均放電溫度與數值模擬平均溫度進行對比，結果如圖4所示。由圖4 可知，電池在3 500 s 內試驗放電溫度與模擬值溫度趨勢相同，試驗值最高溫度為300.95 K，模擬值相對溫度為300.83 K，試驗值與模擬值在一個小時內最大的溫度絕對誤差為0.12 K，最大相對誤差在1%內，足以說明模擬模型的可靠性。

圖4 電池在1C 放電時模擬值與文獻[18]試驗值對比曲線Fig.4 Comparison curve between simulated values of battery discharge at 1C and experimental values in reference[18]

2 熱仿真結果分析

2.1 電池組溫度分布對比分析

截取電池豎向截面中心平面如圖5所示。

圖5 電池豎向截面中心平面圖Fig.5 Battery cross-section selection

模擬了4 種不同放電倍率下放電結束時的電池溫度，不同工況下，電池溫度的截面分布云圖如圖6所示，電池表面溫度變化及溫差如圖7～8所示。由圖6～8 可知，電池的豎向溫度呈現出階梯狀，越靠近液冷板處的溫度越低，且隨著電池放電倍率的增加，電池的橫向溫度分布更為均勻。電池的最高溫度每增加1C的放電倍率，最高溫度都升高3 K 左右，呈一定的線性關系，在1C和4C的工況下，兩者最高溫度相差9.17 K，溫度上升十分明顯。4 種工況下的電池最高溫度都滿足電池的正常工作狀態。

圖7 不同放電倍率下電池溫度隨時間變化曲線Fig.7 Battery temperature variation curves over time at different discharge rates

圖8 不同放電倍率下的溫差Fig.8 Temperature difference at different discharge rates

由圖7～8 可知，在1C以及2C的放電倍率下，電池的最高溫度以及溫差都在合理的安全范圍之內。在3C和4C高倍率放電下，電池的溫差分別達到6.21,9.74 K，已經超過電池的最佳工作溫差，并在4C的工況下，其溫差已超過最佳溫差的95%。故需對電池進行進一步的優化。

2.2 液冷板溫度分析

液冷板溫度分布云圖如圖9所示。冷卻液在液冷板內不斷流動，通過對冷卻液與液冷板之間的對流換熱，將電池運行產生的熱量與外界進行熱交換。液冷板在4C的工況下，內部溫差達3 K，說明該模型的熱管理系統對電池的降溫具有一定效果，溫度較高區域主要集中在第二塊以及第三塊電池部分。

圖9 液冷板溫度分布云圖Fig.9 Cloud map distribution of the liquid cooling plates

冷卻液跡線圖如圖10所示，在冷卻液流動的過程中，交匯處的流速較高，液體速度方向雜亂，形成較大渦流，影響液體流動速度，且形成渦流的地方與板間溫度相襯，導致熱管理系統的冷卻效率降低。

圖10 冷卻液跡線圖Fig.10 Coolant trace diagram

3 微通道熱管理系統

3.1 微通道熱管系統數值模型

基于上文所述模型的渦流影響，在電池高倍率放電工況下，電池溫差過大，而微通道熱管理模型可以有效地消除渦流影響，降低電池模組的最高溫度和溫差，故采用微通道熱管理系統進行優化，優化后的幾何模型示意圖如圖11所示。微通道熱管理系統共有11 個通道，通道入口與出口都為5 mm 的正方形，每個通道之間相距5 mm，整個微通道冷卻板的寬度為9 mm。

圖11 微通道電池模組示意圖Fig.11 Microchannel battery modules

對新模型重新進行網格驗證，所得結果如圖12所示。由圖12 可知，在7×105網格之后的溫度趨于收斂，所以為減少計算量，優化模型采用728 183 個網格數量進行數值模擬，所得的模型如圖13所示。

圖12 網格獨立性驗證Fig.12 Grid independence verification

圖13 電池模組網格模型Fig.13 Battery module grid model

3.2 結果與分析

原電池模組在1C、2C放電工況下，最高溫度以及溫差都在正常范圍之內，所以優化模型只針對于該電池模組在4C工況下的最高溫度以及溫差進行分析。

模型在4C工況下，溫度云圖如圖14所示，被冷卻板所包裹的地方溫度較低，溫度較高的地方主要集中在中上部分，相較于原模型，高溫區域明顯減少。最高溫度為305.13 K，最低溫度為300.42 K，溫差為4.71 K，在合理范圍內，達到預期優化目標。但是，距離臨界最佳溫差較近，嘗試降低冷卻液溫度來進一步降低溫差。

圖14 優化模型溫度云圖Fig.14 Optimized temperature cloud map of the model

將冷卻液的溫度降低至299, 298, 297, 296 K 時分別進行模擬，最大限度降低鋰離子電池模組在高倍率放電工況下的溫差。4 種工況模擬云圖如圖15所示，所選取的截面為③號電池平面，隨著冷卻液溫度降低，電池的最高溫度明顯降低，最低溫度與冷卻液溫度相差約0.43 K。

圖15 4C 放電下不同冷卻液溫度電池的溫度云圖Fig.15 Cloud map of the battery temperature at different coolant temperatures under 4C discharge

優化模型的溫差如圖16所示。由圖16 可以看出，隨著冷卻液溫度降低，電池的溫差并沒有得到很好的優化。相反，冷卻液溫度越低，電池的溫差越大。當冷卻液溫度在296 K 和297 K 時，電池的溫差達5 K 以上或接近5 K，未達到目標預期。

圖16 優化模型溫差Fig.16 Temperature difference of the optimized model

原模型中，電池在3C、4C放電工況時，電池的溫度以及溫差明顯上升，并且已經超出鋰離子電池最佳工作溫度范圍。在4C工況下，模型優化前后電池的溫差以及最高溫度對比如表2所示。由表可知，優化模型的最高溫度和溫差均比原試驗模型值要低。

表2 微通道液冷模型優化結果與原模型對比Table 2 Comparison of optimization results of the microchannel liquid cooling model

4 結論

本文建立了鋰離子動力電池模型，并通過模型試驗驗證了模型的準確性。為優化電池組在高放電倍率下溫度過大的問題，對模型的冷卻通道重新建模，得到優化模型仿真的最高溫度以及溫差數據，與原模型進行對比，可得到以下結論：

1）鋰離子電池組在方形液冷板冷卻條件下，冷卻效果一般，而在高倍率4C放電工況下，電池的最高溫差達9.74 K。

2）采用微通道液冷的方式對電池進行優化，電池在4C工況下，電池的溫差縮小至4.71 K，同比降低了5.03 K，溫差以及最高溫度均達到預期優化目標。

3）在微通道熱管理系統中，降低冷卻液溫度時發現，并非冷卻液溫度越低越好，冷卻液溫度越低，電池的最高溫度也越低，但是電池的溫差并沒有得到改善，相反產生了負面影響。

4）冷卻液溫度與電池溫差呈一定的線性關系。