基于高均溫性鋰離子電池液冷模組熱管理研究

唐志國，趙仁陳，趙智健，王守成

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

動力電池是純電動汽車關鍵核心部件。相比于其他類型的電池，鋰離子電池具有能量密度高、使用壽命長、自放電率低和效率高等優(yōu)點，是純電動汽車核心動力裝置的最佳選擇[1]。鋰離子電池的性能、循環(huán)壽命和使用壽命高度依賴于自身溫度。溫度過高可能引發(fā)破裂，爆炸和著火等危險[2]；溫度過低則會降低電池性能，導致電池壽命縮短[3]。電池溫差過大不僅會導致電池穩(wěn)定性降低，甚至影響整個電動汽車的安全性[4]。因此，合理的電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)可以保持電池的最佳工作溫度，改善電池組溫度分布的不均勻性，有效避免電池組的熱失控事故[5]。

電池熱管理系統(tǒng)依據散熱介質種類可分為空氣冷卻[6]、液體冷卻[7-8]、相變材料冷卻[9]、熱管冷卻[10]以及上述冷卻方式的組合[11-12]。D.F.CHEN等[13]分別研究了在空冷，液冷和翅片冷卻3種方式下軟包電池的溫度特性，結果表明空冷下需要多消耗2～3倍的能量才能使軟包電池保持與其他冷卻方式下相同的溫升，而液冷方式的耗能僅為風冷的1/2。R.LIU等[14]比較了空冷，液冷和相變材料冷卻的換熱效果，結果表明，在降低電池溫度方面，液冷比相變材料冷卻更有效。所以液冷方式將仍是動力電池熱管理研究和應用的重要方向。

通常來說，在電動汽車的實際應用中，動力電池組包含了數千個鋰離子電池，熱管理系統(tǒng)的設計目標應該是將所有電池工作溫度控制在25～40 ℃范圍內，并保持電池組溫差不高于5 ℃[15]。目前許多研究大多采用增加電池與冷卻介質之間的接觸面積來提高電池熱管理系統(tǒng)的換熱性能。C.R.ZHAO等[16]設計了一種基于蛇形通道的液冷熱管理結構，應用于由71個18650型鋰離子電池的電池模塊，并得出結論，沿流線方向沿流路增加電池和蛇形通道之間的接觸面積，有助于進一步改善溫度場的均勻性；Z.G.TANG等[17]提出了一種基于液體流動散熱的多通道波形扁管結構，通過改變波形管接觸角以及冷卻工質的質量流量研究電池組的溫度特性，結果表明，增加波形管接觸角或提高冷卻工質的質量流量，對電池模組的散熱效率和溫度場均勻性都有積極影響。但是波形扁管結構復雜，加工成本高，安裝困難，并且具有較大的流阻[18]。

為了克服上述缺點，采用直通道扁管是一個更優(yōu)的選擇。Z.H.RAO等[19]設計了一種具有弧形表面的變接觸面的散熱鋁塊，鋁塊的弧面與圓柱電池相接觸，鋁塊設置有5個平行直流圓管流道;Y.X.LAI等[20]提出了一種新穎的垂直導熱管，其具有3個彎曲接觸面，與圓柱形電池的側面接觸；Z.G.TANG等[21]提出了一種導熱塊接觸面積可變的液冷結構，導熱塊的曲面與電池側壁面緊密貼合，導熱塊由冷卻管連接。研究表明，在提高電池組溫度均勻性方面，具有可變接觸表面的系統(tǒng)要優(yōu)于具有恒定接觸表面的系統(tǒng)。因此，如何在鋰離子電池組中應用可變接觸面積的直通道扁管將是當前研究的熱點。

筆者針對某18650型鋰離子動力電池組，設計一種采用等差梯度接觸角的導熱塊和直流扁管的液冷式動力電池熱管理模組結構。通過數值計算的方法來分析模組內電池的溫度特性，特別是模組內電池的溫度均勻性；并研究了αi、Δα和v對冷卻性能的影響，優(yōu)化了液冷式動力電池熱管理模組結構。

1 液冷模組結構設計

圖1為筆者提出的具有直流扁管和導熱塊的電池模組，單根直流扁管可冷卻32節(jié)18650型鋰離子電池。電池沿著直流扁管兩側均勻布置，電池與直流扁管之間的空隙填充導熱塊，導熱塊的兩個彎曲接觸表面(彎曲接觸表面的曲率半徑等于圓柱形電池單元的半徑)與兩個相鄰電池的側面緊密接觸，另一個平坦表面與直流扁管的表面緊密接觸，從而將電池產生的熱量傳遞至直流扁管，然后傳遞至液體冷卻介質。其中直流扁管材料是鋁，導熱塊的材料是導熱硅膠。圖1中，w為直流扁管壁厚，l為流道寬度，d為流道高度，h為導熱塊高度，αi為導熱塊接觸表面角度。

圖1 電池模塊的結構示意Fig. 1 Structure of the battery module

2 數值計算方法

2.1 電池產熱和熱量傳遞

文獻[22]將鋰離子電池的熱效應分為兩部分，一是因電池存在內阻而產生的焦耳熱，二是因電池內部的電化學反應而產生的熵變。單體電池生熱率的計算公式為：

(1)

式中：qb為電池的生熱率；I為電池的充放電電流；Eoc和E分別為開路電壓和電池電壓；Tb為電池的溫度。

考慮到電池的熱量以及熱量的積累和傳遞，電池的能量守恒方程表示為：

(2)

式中：ρb，cpb分別為電池的密度和比熱容；λ為電池材料的導熱系數；?為拉普拉多算子。

考慮到圓柱形電池的徑向導熱系數與其軸向和周向導熱系數不同[23]，式(2)應改寫成式(3)的形式：

(3)

式中：r，φ和z分別為電池的徑向，周向和軸向距離；kr,kφ和kz分別為電池材料在徑向，圓周和軸向上的導熱系數。

2.2 邊界條件和網格獨立性測試

使用Fluent 14.5 軟件對高溫工況下電池模組散熱進行瞬態(tài)模擬，使用水-乙二醇(重量比為1∶1)的混合物作為冷卻液。表1列出了數值計算中使用的材料屬性。

表1 模擬中使用材料的熱物性參數Table 1 Thermophysical parameters of materials used in simulation

模擬的假設和邊界條件如下：計算得出的入口處的最大雷諾數不超過2 300，研究中使用層流模型，進、出口分別設為速度入口和壓力出口；工質流動表面無滑移，流固界面設為耦合面，固固界面的接觸熱阻設為0.002 5 m2·K·W-1[18]；電池和直流扁管暴露在空氣的部分視為自然對流換熱，表面換熱系數設為5 W·m-2·K-1[17]；連續(xù)性和能量方程收斂殘差分別設為10-6和10-12。

網格的數量和質量對數值計算的結果影響很大。將單體鋰離子電池簡化為高65 mm，直徑18 mm的圓柱體。電池模組的網格如圖2(a)。使用Hypermesh軟件對物理模型進行網格劃分，網格類型選擇結構化六面體網格，并通過對導熱塊和電池的網格的局部細化加密，獲得六組具有不同網格數量的網格模型。計算結果如圖2(b)，當網格數大于1.06×106時，模組內電池表面的最高溫度Tmax變化不明顯(小于0.1 ℃)。因此，選擇網格數不小于1.06×106網格模型進行計算。

圖2 網格獨立性分析Fig. 2 Independence analysis of grid

2.3 實驗驗證

為了獲得電池實際放熱特性數據，建立了一套用于測試單體18650型鋰離子電池熱特性的實驗系統(tǒng),實驗裝置的示意如圖3(a)。測試設備包括新威CT4008-20V6A-A電池充放電儀，Agilent 34970A數據采集器以及多個T型熱電偶。在測試過程中，電池以3C倍率(6.6 A)放電，并且將三個T型熱電偶置于電池正極、中部和負極附近。環(huán)境溫度為25 ℃，與數值計算中的環(huán)境溫度相同。取三個熱電偶測量所得溫度值的平均值作為實驗測得的數據。圖3(b)為實驗數據與數值計算數據二者的比較，結果表明數值計算的溫度與實驗測量的溫度吻合良好，即數值計算中所用的生熱模型是合理的。

圖3 單體電池熱性能的實驗驗證Fig. 3 Experimental verification of thermal performance of single cell

3 液冷系統(tǒng)散熱特性仿真分析

3.1 導熱塊接觸角(αi)不變

筆者設計的液冷式動力電池熱管理模組結構中，電池產生的熱量通過導熱塊傳遞到直流扁管，實現散熱目標。因此，導熱塊接觸角(αi)對直流扁管散熱結構的冷卻性能有很大影響。為了研究αi對電池模組冷卻性能的影響，本節(jié)計算中保持每一個導熱塊的αi相同，即導熱塊和電池間的換熱面積相同，并分別設置αi值依次為：30°、45°、60°、75°、90°，同時分別設置冷卻液的入口速度為0.005、0.010、0.015、0.020和0.025 m/s。監(jiān)控模組內電池表面的最高溫度(Tmax)和模組內電池的最大溫差(ΔTmax)。

圖4(a)為放電結束時，不同導熱塊αi和入口速度情況下Tmax的變化。結果表明，在冷卻液入口速度相同情況下，隨著αi增大，Tmax不斷降低。這是因為傳熱率是由傳熱溫度差和傳熱面積決定的，αi增大，傳熱面積增加，更多的熱量通過導熱塊傳遞給冷卻液，提高了換熱效果，降低了模組內電池表面的最高溫度。圖4(a)還表明，隨著αi的增大，Tmax的下降趨勢在不斷減小。當冷卻液入口速度為0.015 m/s，αi分別為30°、45°、60°、75°、90°時，Tmax依次為36.64、34.52、33.28、32.75和32.43 ℃，下降百分比依次為5.79%、3.59%、1.59%和0.98%。這是因為在入口附近，電池與冷卻液的傳熱溫度差最大，大量的熱量傳遞給冷卻液，使得冷卻液的溫度升高，隨著冷卻液繼續(xù)沿扁管流動，電池與冷卻液間的溫度差逐漸減小，而傳熱率是由傳熱溫度差和傳熱面積決定的，此時盡管傳熱面積增大了，但傳熱溫差降低，導致傳熱率降低，故Tmax的下降趨勢在不斷減小。對某一個αi，冷卻液入口速度越大，Tmax越低。由圖4(b)可以看出，ΔTmax的變化趨勢與Tmax正好相反，當αi從30°依次增加到90°時，ΔTmax不斷增加，但ΔTmax的增加趨勢不斷趨于平緩。當冷卻液入口速度為0.015 m/s，αi分別為30°、45°、60°、75°、90°時，ΔTmax依次為4.20、4.83、5.33、5.87和5.94 ℃，上升百分比依次為15%、10.35%、10.13%和1.19%。這是因為在入口附近，電池與冷卻液之間的溫度差最大，并且αi越大，傳熱面積越大，故在該處的熱量傳遞最多，電池溫度明顯降低。隨著流體介質繼續(xù)向前流動，冷卻液的溫度逐漸高，電池與冷卻液之間的溫度差減小，換熱效果變弱，無法有效降低電池溫度，所以隨著αi增加，模組內電池的最大溫差ΔTmax反而增加。

圖4 3C放電結束時不同αi和v下電池溫度特性Fig. 4 Temperature characteristics of the batteries at the end of 3C discharge with different αi and v

圖5為冷卻液入口速度為0.015 m/s時，αi分別為30°、60°和90°的模組電池的溫度云圖，很明顯可以看到，盡管αi為30°時，模組內電池的最大溫差ΔTmax是最低的，但是模組內電池表面的最高溫度Tmax卻是最高的，且遠遠高于αi為60°和90°的模組內電池表面的最高溫度，即αi為30°時，電池模塊是以每個電池的溫度都較高的狀態(tài)下來減小電池模塊的溫度差，這是不合理的，一個合理的液冷式動力電池熱管理模組結構在降低Tmax的同時也要降低ΔTmax。因此，就需要一個可變接觸面積(即導熱塊接觸角變化)的動力電池熱管理模組結構。

圖5 入口速度為0.015 m/s時不同αi的模組電池溫度云圖Fig. 5 Temperature contours of the battery in the module with different αivalues while v is 0.015 m/s

3.2 導熱塊接觸角(αi)可變

如3.1節(jié)所述，導熱塊接觸角αi不變時，隨著αi的增加，模組內電池表面的最高溫度Tmax呈負相關，而模組內電池的最大溫差ΔTmax則為正相關，這不符合熱管理設計的要求。為了在降低Tmax的同時減小ΔTmax，獲得更均勻的溫度分布，在本節(jié)中對模組內32節(jié)單體電池進行分組。如圖6，將模組內的電池平均分為4組，每組中的導熱塊的αi相同，在第i組中表示為αi，并采用接觸角梯度Δα來實現導熱塊接觸角可變。

圖6 模組內電池分組示意Fig. 6 Schematic diagram of battery grouping in the module

由前述結論及筆者前期相關研究[21]可知，動力電池模組的最高溫度和最大溫差的變化規(guī)律，與動力電池和液冷板的接觸面積呈非線性的逐漸增加或逐漸減小關系，即在筆者研究的接觸角度范圍內，不會出現波峰或波谷的情況。所以，筆者提出的梯度導熱塊接觸角(取值范圍在0～90°之間)設置將采用等差規(guī)律，具體設置了3種不同的計算工況：①e1工況。α1相同，即組1中與電池相接觸的導熱塊的接觸角α1在3個不同接觸角梯度Δα下是相同的，后面3組導熱塊接觸角：α2、α3、α4按照接觸角梯度Δα依次增加；②e2工況。α4相同，即組4中與電池相接觸的導熱塊的接觸角α4在3個不同接觸角梯度Δα下是相同的，前面3組導熱塊接觸角：α1、α2、α3按照接觸角梯度Δα依次增加；③e3工況。α1+α2+α3+α4相同，即保證3個不同接觸角梯度Δα下，總的傳熱面積相同。研究了上述3種計算工況下，Δα對液冷式動力電池熱管理模組結構的冷卻效果的影響。表2給出了3種工況下，不同Δα下的各組接觸角αi的具體數值。

表2 不同接觸角梯度下的α1,α2,α3,α4Table 2 α1,α2,α3,α4 at different contact angle gradient (°)

圖7(a)給出了在冷卻液入口速度(v)為0.010 m/s時，模組內電池表面的最高溫度Tmax隨著冷卻時間的變化曲線。在3C倍率放電結束時，Tmax，e1>Tmax，e3>Tmax，e2，即冷卻液入口速度v相同的情況下，保持組4導熱塊的接觸角α4相同，前面3組為導熱塊接觸角α1、α2、α3按照Δα依次增加的工況，其Tmax是最低的。隨著Δα的增加，模組內電池表面的最高溫度Tmax逐漸減小，其值依次為：33.71、33.64、33.27 ℃。盡管Tmax降低了，但是Δα從5°增加到15°時，Tmax僅減小了0.44 ℃，這表明了通過增加Δα的數值來降低模組內電池表面最高溫度的效果并不明顯。這是因為傳熱率是由傳熱溫度差和傳熱面積決定的，二者相互影響，較大的Δα會造成一個梯度變化較大的傳熱面積，而不同的傳熱面積則會對電池與冷卻液的傳熱溫差產生影響，所以隨著Δα的增加，對減小Tmax的效果不明顯。

圖7(b)為放電結束時，不同工況下模組內電池的最大溫差。對e1工況，隨著Δα的增加，ΔTmax逐漸增加，依次為：4.06、4.54、5.49 ℃。這是因為對于整個模組電池而言，每一組的αi值都較小，也就是傳熱面積較小。當Δα為5°時，導熱塊與電池接觸的面積最大僅為電池側面積的1/8，此時，近乎于導熱塊接觸角αi不變的工況，所以ΔTmax較?。划敠う翉?°依次變?yōu)?0°、15°時，ΔTmax有所增加。與e1工況不同，e2、e3工況下，隨著Δα的增加ΔTmax均表現為下降趨勢。當Δα為5°、10°、15°時，e2工況下ΔTmax值依次為：6.72、5.57、3.96 ℃，其降幅分別為：17.13%、28.91%；e3工況下ΔTmax值依次為：5.64、5.11、4.48 ℃，其降幅分別為：9.39%、12.33%。綜合考慮Tmax和ΔTmax，e2、e3工況計算結果更符合液冷式動力電池熱管理模組結構的冷卻目標，并且對比兩個工況，在e2工況下，模組電池表面的最高溫度Tmax相對較低，并且當Δα從5°增加為15°時，ΔTmax降幅更大。所以，采用較大的Δα值可以在降低Tmax的同時減小模組內電池的最大溫差ΔTmax，獲得更均勻的溫度分布。

圖7 αi可變工況下模組電池的溫度特性Fig. 7 Temperature characteristics of battery in the module while αi is variable

3.3 冷卻液入口速度(v)的影響

由于冷卻液的流速不僅影響了系統(tǒng)的散熱性能和電池模組的均溫性，并對系統(tǒng)的流阻(壓降)也將產生重要影響，以此影響了熱管理系統(tǒng)運行的泵能耗，因此需要對系統(tǒng)的冷卻工質入口流速進行優(yōu)化以找出其合適范圍。本節(jié)中，將冷卻液的入口速度依次設置為：0.001、0.005、0.010、0.015、0.020、0.025 m/s，研究了它們對冷卻性能的影響。電池以3C速率放電。

圖8給出了不同冷卻液入口速度下Δα=15°時電池的溫度特性。圖8(a)為3C倍率放電結束時3種工況的Δα=15°在不同v情況下的Tmax變化。很明顯可以發(fā)現，當v從0.001 m/s增加到0.010 m/s時，3種工況下的Tmax下降幅度都很大；但是當v超過0.010 m/s時，隨著v的增加，Tmax下降幅度明顯降低，趨于平緩。其原因是，當冷卻液入口速度低于0.010 m/s時，隨著v的增加，直流扁管內冷卻液的對流傳熱系數增大，提高了換熱效率，所以Tmax有一個較大幅度的下降；而當冷卻液入口速度高于0.010 m/s時，隨著v的增加，盡管冷卻液的對流傳熱系數增大，但電池和冷卻液間的傳熱溫差卻減小了，在對流換熱系數增大、電池和冷卻液間的傳熱溫差減小的綜合作用下，Tmax降低的幅度開始趨于平緩。

圖8(b)給出了放電結束時3種工況的Δα=15°在不同入口速度(v)下的ΔTmax變化。當v從0.001 m/s增加到0.010 m/s時，ΔTmax的變化趨勢與Tmax相同，都有較大幅度的降低，電池模塊的溫度均勻性得到了明顯的改善；而當冷卻液入口速度高于0.010 m/s時，隨著v增加，ΔTmax逐漸升高，即入口速度的增加給電池模塊的溫度均勻性帶來了負面影響。這是因為，Δα為15°時，盡管組1中導熱塊的接觸角α1最小，傳熱面積最小，但冷卻液的入口速度大，傳遞的熱量反而增加，故電池的溫度降低，冷卻液溫度上升，電池和冷卻液之間的傳熱溫差減小。隨著冷卻液繼續(xù)流動，冷卻液的溫度繼續(xù)升高，電池和冷卻液之間的傳熱溫差進一步減小，傳熱溫度差對傳熱率的影響要強于傳熱面積的影響，組2、組3和組4的電池溫度較大，模組內電池的溫度均勻性無法得到有效改善，ΔTmax反而增加。

圖8 不同入口速度(v)下Δα=15°時電池的溫度特性Fig. 8 Temperature characteristics of the battery when Δα=15° at different inlet velocities (v)

結果說明，在冷卻液的入口速度低于0.010 m/s時，隨著v的增加，模組內電池的Tmax和ΔTmax可以得到明顯改善。而當冷卻液的入口速度高于0.010 m/s時，隨著v的增加，對模組內電池的Tmax的增益效果明顯減弱，對ΔTmax甚至產生負面影響。另外，較高的冷卻液的入口速度需要消耗更多的能量，因此冷卻液的入口速度不是越高越好。

4 結 論

筆者針對某18650型鋰離子動力電池組，設計一種采用等差梯度接觸角的導熱塊和直流扁管的液冷散熱結構，并研究了αi，Δα和v對冷卻性能的影響。主要結論為：

1)當所有導熱塊的αi保持一致時，Tmax隨αi的增加而降低，而ΔTmax則相反，這是由于出口附近的電池與冷卻液之間的傳熱溫度差較小，電池溫度得不到有效降低。因此單純增加αi會對模組內電池的溫度均勻性產生負面影響。

2)為進一步改善模組內電池的溫度分布，提出了導熱塊接觸角αi可變，采用接觸角梯度Δα的3種計算工況。結果表明e2、e3工況下，可變的傳熱面積可以有效地提高冷卻性能，且Δα越大，對模組內電池的溫度均勻性影響越好。特別在e2工況下，ΔTmax從6.72 ℃降低到3.96 ℃。

3)增加冷卻液的入口速度確實對電池冷卻有積極影響，當入口速度低于0.010 m/s時，增加入口速度可以有效降低Tmax和ΔTmax；而當入口速度大于0.010 m/s時，對電池模塊的Tmax的增益效果明顯減弱，對ΔTmax甚至產生負面影響。