電池模組復(fù)合液冷散熱的實驗研究與數(shù)值分析

吳笑宇，張恒運

（201600 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

近年來，電動汽車以高效、節(jié)能、低污染、零排耗等優(yōu)點，受到了全社會廣泛的關(guān)注[1]。鋰離子電池作為電動汽車“三電”的核心，具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長、無記憶性等優(yōu)點，在電動汽車上獲得了廣泛的應(yīng)用[2-3]。然而電動汽車在過充或者大倍率放電時會大量生熱，使得電池模組急劇增溫，嚴重影響其使用壽命，甚至誘發(fā)熱失控，造成安全事故[4]。而隨著動力電池能量密度的不斷提升、快充技術(shù)的快速發(fā)展，電池將會面臨更加嚴重的生熱問題。在保證電池模組的最高溫度不超過高溫限制如50 ℃的同時，將電池之間溫差盡量控制在5～6 ℃范圍內(nèi)[5-6]是目前電池溫度管控的一個重點方向，這對電池?zé)峁芾砑夹g(shù)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

常見的動力電池?zé)峁芾矸绞桨ǎ猴L(fēng)冷[7-8]、液冷[9-10]以及相變冷卻[11-12]。相較其他冷卻方式而言，風(fēng)冷具有系統(tǒng)簡單、可靠，成本低等優(yōu)點，在電動汽車發(fā)展初期應(yīng)用較多。然而在汽車加速、爬坡等大倍率放電工況下，風(fēng)冷散熱性能不足。此外，在夏季環(huán)境溫度較高時，采用風(fēng)冷難以將電池模組的溫度控制在高溫限50 ℃以下。近年來，以石蠟為代表的相變材料具有潛熱高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點[13]，將其應(yīng)用于動力電池?zé)峁芾砟軌颢@得較好的溫度一致性[14]，是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。然而相變材料存在導(dǎo)熱系數(shù)較低、易燃等問題[15-16]，造成在實際中應(yīng)用有限。而液冷則因其具有較高的換熱性能，在動力電池模組設(shè)計中應(yīng)用越來越多。Zhao J T[17]等通過在單體圓柱電池外表面圓周布置帶有冷卻微通道的金屬殼體，對40 顆圓柱電池組成的電池模組的液冷散熱性能進行了研究。當(dāng)通過每個電池的流量至少為0.24 kg/min 時，可將圓柱電池模組的最高溫度控制在40℃以下。Cao W J[18]等針對180 節(jié)18 650 圓柱電池組成的電池模組進行液冷散熱，F(xiàn)luent 數(shù)值仿真結(jié)果表明，在單體電池2C 放電，總冷卻流量為36 L/min 時，電池模組的最高溫度為39 ℃（312 K）。類似的，Li Y B[19]等針對15顆方形電池組成的50 V 電池模組也采用了液冷方案進行散熱，發(fā)現(xiàn)在單體電池5C 放電時，0.1 m/s的冷卻液流速可將電池模組的溫差控制在6 ℃左右。因此，本文同樣選取液冷散熱方案，對所研究電池模組的熱性能進行研究。

如圖1（a）所示，為本文搭建的電池模組液冷實驗平臺包括106 顆18 650 圓柱電池以及由熱擴散板以及導(dǎo)熱柱組成的強化散熱裝置。在單體電池3C放電、液冷流量10 L/min的運行工況下，首先對電池模組的熱性能進行了實驗研究，并基于實驗結(jié)果，建立了單列電池模組模型，進行了實驗與仿真的對比驗證。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Photograph of experimental test system

然而數(shù)值仿真結(jié)果表明，基準(zhǔn)案例結(jié)構(gòu)配置的電池模組溫差較大，超出了電池?zé)峁芾硭蟮臉O限溫度范圍，因此進一步對電池模組內(nèi)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究以及優(yōu)化，并獲取了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)配置。所研究結(jié)構(gòu)參數(shù)包括導(dǎo)熱柱直徑、導(dǎo)熱柱高度以及熱擴散板厚度。

1 實驗與數(shù)值仿真模型

1.1 電池模組詳細結(jié)構(gòu)說明

所搭建電池模組側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（b）所示。在距離電池頂部15 mm 處安裝有1 mm 厚熱擴散板，擴散板上方同時配備有5 mm 高翻邊，以增加電池與熱擴散板之間的接觸面積。熱擴散板下方為排布在電池周圍的128 根導(dǎo)熱柱（Φ=8 mm），導(dǎo)熱柱的上下兩端分別與熱擴散板以及液冷板相連。當(dāng)前結(jié)構(gòu)配置下，各圓柱電池生成的熱量可經(jīng)由熱擴散板以及導(dǎo)熱柱直接傳遞給冷板，從而強化了換熱。需要說明的是，實驗測試所用圓柱電池為定制的18650 仿形電池（材料為6063 鋁）。如圖1（c）所示，該仿形電池的中部加工有直徑6 mm、深50 mm 的盲孔以安裝電加熱棒（95Ω），從而獲得恒定的熱流輸入。并且，為了方便對電池的溫度進行監(jiān)控，在距離電池軸線位置7.25 mm 處，加工有直徑為1 mm、深為10 mm 的盲孔以安裝K 型熱電偶。在后續(xù)的實驗過程中，通過對電池模組中部以及邊緣角落處的電池溫度進行監(jiān)控，對整個電池模組的熱性能進行分析以及研究，詳細的熱電偶布置可以參考文獻[20]。此外，電池模組底部液冷板為常見的直流式液冷板，板內(nèi)加工有細小槽道和直型翅片強化換熱。

在上文電池模組結(jié)構(gòu)配置的基礎(chǔ)上，沿冷卻液流動方向，選取了包含1/2×10 顆18650 電池的單列模型進行后續(xù)的數(shù)值仿真以及優(yōu)化。所設(shè)定熱電偶溫度監(jiān)控位置如圖2 所示，分別位于#1，#5 以及#10 電池的頂部。

圖2 帶邊界條件的數(shù)值仿真模型：1 號熱電偶監(jiān)控點Fig.2 Simulation model with boundary conditions:the first temperature monitor point

為簡化計算，在進行數(shù)值仿真時，通過采用具有等效導(dǎo)熱系數(shù)的實心圓柱(k=82 W/m·K)代替實驗所用中空導(dǎo)熱柱進行研究。熱擴散板下方、各18650 圓柱電池之間的空氣也被設(shè)定為靜止空氣進行導(dǎo)熱，忽略其內(nèi)微弱自然對流的影響。

1.2 仿真模型邊界條件設(shè)定及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

通過ANSYS-Fluent 17.0 對電池模組進行熱仿真分析，設(shè)定邊界條件如圖2 所示。選取實驗測試過程中監(jiān)控的環(huán)境溫度、冷卻液入口溫度作為初始參數(shù)進行輸入（分別為25.64 ℃，27.0 ℃）。電池頂部自然對流換熱系數(shù)為5 W/m·K，與文獻[21]相同。同時，根據(jù)文獻[22]，在10 L/min液冷流量下的冷板入口雷諾數(shù)為533.94，屬于層流流動。數(shù)值仿真所設(shè)定的材料物性參數(shù)值如表1 所示。其中，根據(jù)參考文獻[23]設(shè)定了圓柱電池的導(dǎo)熱系數(shù)，而其余物性參數(shù)值均為實驗測量結(jié)果。當(dāng)單體電池3C 放電時，設(shè)定的計算時間為1 200 s。當(dāng)能量方程的殘差值小于10-6，而其余方程殘差值小于10-4時，認為仿真結(jié)果收斂。

表1 不同材料物性參數(shù)Tab.1 Physical properties of different materials

在進行詳細的數(shù)值仿真以及優(yōu)化前，首先對數(shù)值仿真模型進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。對比結(jié)果表明，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，電池模組的最高溫度以及冷板的進出口壓差均趨于平穩(wěn)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于2.27 M 時，與3.07 M 網(wǎng)格數(shù)量的數(shù)值仿真模型相比，電池模組的最大溫升以及進出口壓差分別小于0.05 %以及0.43%。因此，選擇網(wǎng)格數(shù)量為2.27 M 的網(wǎng)格模型進行后續(xù)的仿真分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 液冷散熱的電池模組實驗研究

在單體電池3C 放電，液冷流量10 L/min 的情形下，對圖1 的電池模組進行實驗研究。結(jié)果表明，電池模組內(nèi)的最高溫度出現(xiàn)在中部約#5電池位置，而最低溫度則出現(xiàn)在冷卻液入口的邊角電池處。此時各熱電偶監(jiān)控點的電池溫升曲線如圖3 所示，電池模組的最高溫度約為41.99 ℃，而各熱電偶測溫點的溫差則約為2.02 ℃。

同時，對自然對流條件下電池模組的溫升也進行了研究。當(dāng)單體電池2 W 恒功率生熱時，電池模組的溫度近似線性上升。放電結(jié)束時，自然對流冷卻散熱的電池模組最高溫度與溫差分別為50.15 ℃和3.75 ℃。因此，采用液冷對電池模組進行散熱冷卻，是行之有效的電池?zé)峁芾矸桨浮Ｈ欢?，對于整個電池模組而言，由于布置的熱電偶數(shù)量有限，從而無法獲取整個電池模組的溫度分布。因此，本文采取實驗與仿真相結(jié)合的方式，對整個電池模組的熱性能進行詳細的研究。

圖3 熱電偶實際測量所得電池溫升曲線Fig.3 Temperature curve of batteries monitored by K-type thermal-couples

2.2 實驗與仿真的對比驗證

在單體電池3C 放電、液冷流量10 L/min 的情形下，整個電池模組的溫度分布云圖如圖4 所示。受熱擴散板及導(dǎo)熱柱影響，電池模組內(nèi)的高溫區(qū)域出現(xiàn)在3～9 號電池中部偏下，電池中剖面的高溫云圖呈現(xiàn)中間大、上部細長的水滴狀。而電池模組的最低溫度則出現(xiàn)在冷卻液入口1 號電池與熱擴散板相接的部位。但需注意的是，對于基準(zhǔn)案例結(jié)構(gòu)配置的電池模組而言，雖然模組的最高溫度滿足了設(shè)計要求（43.71 ℃），但溫差超出電池?zé)峁芾硭蟮臉O限范圍(5.68 ℃)。因此，需要對電池模組內(nèi)的各結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，以期獲得更高的電池模組溫度一致性

圖4 基準(zhǔn)案例配置的電池模組溫度分布云圖。Fig.4 Temperature contour of battery module with configuration of baseline case

圖5 實驗與仿真的溫升曲線對比Fig.5 Battery temperature curves for numerical simulation and experimental test

同時，將數(shù)值仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比。圖5 為1 號熱電偶測溫點的實驗與數(shù)值仿真溫升對比曲線。放電結(jié)束時，1 號熱電偶測溫點處的數(shù)值仿真結(jié)果為40.46 ℃，相較實驗結(jié)果降低了約0.94 ℃。當(dāng)前偏差可能是因為電池、熱擴散板、導(dǎo)熱柱以及冷板之間存在接觸熱阻造成的。但是，可以認為當(dāng)前數(shù)值仿真結(jié)果是合理可行的。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

為獲得更高的電池模組溫度一致性，對基準(zhǔn)案例內(nèi)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進行單因子研究以及優(yōu)化，對應(yīng)表2 研究例1—4。所研究結(jié)構(gòu)參數(shù)包括導(dǎo)熱柱直徑、導(dǎo)熱柱高度以及熱擴散板厚度。

表2 數(shù)值仿真研究案例說明Tab.2 Numerical simulation cases

如圖6 所示，當(dāng)前電池模組的最高溫度變化相對簡單：隨著導(dǎo)熱柱高度的增加而上升，隨著導(dǎo)熱柱直徑以及熱擴散板厚度的降低而減小。但是溫差變化則相對復(fù)雜：隨變導(dǎo)熱柱直徑以及導(dǎo)熱柱高度增加，而先減小后增大，隨熱擴散板厚度的增加而近似線性降低。

就當(dāng)前配備有額外散熱結(jié)構(gòu)的電池模組而言，在導(dǎo)熱柱直徑大于6 mm 后，電池模組內(nèi)的最低溫度由原先#1 電池的底部轉(zhuǎn)移至#1 電池與熱擴散板的交界面處。由于熱擴散板以及導(dǎo)熱柱均為鋁制，且與液冷板直接相連，使得電池模組內(nèi)的最低溫度受冷卻液進口溫度的影響更大，從而造成了電池模組溫差的逐漸上升。而對于變導(dǎo)熱柱高度情形而言（導(dǎo)熱柱直徑固定為8 mm，即電池模組的最低溫度恒定出現(xiàn)在電池與熱擴散板的交界處），電池模組的溫差隨導(dǎo)熱柱高度的增加而先減小后下降，當(dāng)前溫差的變化主要是受電池模組內(nèi)的最高溫度與熱擴散板之間距離變化的影響所致。如上文所述，在增加熱擴散板與導(dǎo)熱柱后，電池模組的最高溫度出現(xiàn)在電池的中剖面偏下位置。因此，應(yīng)當(dāng)存在一個最優(yōu)的導(dǎo)熱柱高度，能夠在降低電池模組最高溫度的同時，盡可能地減小電池模組的溫差。

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對電池模組的影響Fig.6 Effects of different structure parameters to battery modules

2.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)配置的電池模組熱仿真分析

綜合上文結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，選取優(yōu)化結(jié)構(gòu)配置為：導(dǎo)熱柱直徑6 mm，導(dǎo)熱柱高度45 mm以及熱擴散板厚度5 mm。此時，整個電池模組的最高溫度約45.27 ℃，模組溫差約為3.96 ℃。與基準(zhǔn)案例結(jié)構(gòu)配置的電池模組相比，雖然電池模組的最高溫度上升約8.63%，但是電池模組的溫度一致性得到了有效提升，溫差降低了約30.28%。與此同時，在相同的邊界條件下，對傳統(tǒng)單純底部液冷的電池模組也進行了數(shù)值仿真，相應(yīng)的電池模組溫度分布云圖如圖7 所示。放電結(jié)束時，電池模組的最高溫度出現(xiàn)在電池頂端，約為56.85 ℃；而模組的最低溫度則出現(xiàn)在電池的底部，溫差約為5.1 ℃。與之相比，本文帶熱擴散板以及導(dǎo)熱柱的電池模組的最高溫度以及溫差分別降低了37.10%以及22.35%。

圖7 傳統(tǒng)單純底部液冷的電池模組溫度分布云圖Fig.7 Temperature contour of conventional battery module with only bottom cooling

3 結(jié)論

針對一種新型復(fù)合液冷散熱的圓柱電池模組進行了實驗與數(shù)值研究。搭建了圓柱電池模組液冷實驗平臺，對電池模組內(nèi)106 顆18650 圓柱電池的熱性能進行實驗研究。在實驗研究的基礎(chǔ)上，建立了單利電池模組模型，并進行了數(shù)值仿真，獲取了單體電池3C 放電，液冷流量10 L/min 的情形下的電池模組溫度分布云圖。隨后，為獲得更高的電池模組溫度一致性，對包括導(dǎo)熱柱直徑、導(dǎo)熱柱高度以及熱擴散板厚度在內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究以及優(yōu)化，獲得了較優(yōu)的結(jié)構(gòu)配置。此外，進行了實驗與仿真的對比，驗證了仿真模型的可行性。所獲結(jié)論如下：

（1）在單體電池3C 放電，液冷流量10 L/min的情形下，熱電偶監(jiān)控所得電池模組的最高溫度約為41.99 ℃。與自然對流冷卻散熱的電池模組相比，當(dāng)前液冷散熱的電池模組最高溫度降低約32.67%。（2）進行了實驗與仿真的對比驗證，相同邊界條件下的溫度偏差約為0.94℃，表明仿真模型合理可行。（3）基準(zhǔn)案例結(jié)構(gòu)配置的電池模組的溫差超出了熱管理所要求的極限溫度范圍。因此，對電池模組內(nèi)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究以及優(yōu)化。優(yōu)化后，整個電池模組的最高溫度約為45.28 ℃，而溫差為3.96 ℃，電池模組的溫度一致性提升了約30.28%，且滿足了電池?zé)峁芾淼囊?。?）對比傳統(tǒng)單純的底部液冷方案，本文內(nèi)置散熱強化裝置的電池模組的熱性能能夠得到有效改善。優(yōu)化后，整個電池模組的最高溫度以及溫差分別降低了37.10%以及22.35%。