基于分流式熱沉的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究

張瀚文

摘要：鋰電池?zé)峁芾淼哪繕?biāo)是為了確保電池組的最大溫度和電池單體之間的溫差在合適的范圍內(nèi)，本文通過數(shù)值模擬研究了分流式熱沉和矩形直通道熱沉對方形鋰電池包在1C放電倍率下冷卻效果，結(jié)果表明：分流式熱沉具有更加優(yōu)良的換熱性能和熱均勻性，在入口流量為0.03～0.27kg/s范圍內(nèi)，冷卻液為進(jìn)口為300K的水和乙二醇混合物，相較于矩形直通道熱沉，分流式熱沉可以將電池包的最大溫度降低2°，電池單體的最大溫差相較于矩形直通道降低最高可達(dá)72%。

Abstract： The goal of power battery thermal management is to ensure that the maximum temperature of the battery pack and the temperature difference between the battery cells are within the appropriate range. This paper compares the shunt heat sink and the rectangular straight channel heat sink to the square lithium battery package cooling effect under 1C discharge rate through numerical simulation. The calculation results show that： the split-flow heat sink has better heat exchange performance and heat uniformity， and the inlet flow rate is within the range of 0.03～0.27kg/s. The 300K water and glycol mixture， compared with the rectangular straight channel heat sink， the shunt heat sink can reduce the maximum temperature of the battery pack by 2°， and the maximum temperature difference of the battery cell can be reduced up to 72% compared with the rectangular straight channel.

關(guān)鍵詞：鋰電池?zé)峁芾?分流式熱沉;數(shù)值模擬

Key words： lithium battery thermal management;shunt heat sink;numerical simulation

中圖分類號：TM912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0089-03

0 ?引言

為了緩解環(huán)境污染、能源枯竭等問題，各國政府加大了對新能源汽車領(lǐng)域的資金投入和政策支持，希望通過汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，盡可能的降低汽車產(chǎn)業(yè)對化石能源的消耗[1]，與傳統(tǒng)汽車不同依靠內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動核心不同的是動力電池是新能源汽車的最主要的動力來源，動力電池的容量、穩(wěn)定性、安全性對新能源汽車整體的性能具有重要影響[2]。在電池材料選擇方面，鋰離子電池由其本身的優(yōu)勢得到了大多數(shù)新能源汽車廠商的青睞，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三方面，一是能量存儲密度高，二是耗水量少，三是綠色環(huán)保，動力鋰電池在工作過程中不會產(chǎn)生任何的污染物質(zhì)，此外其自放電率也非常低。鋰電池的工作性能和壽命與溫度密切相關(guān)，因鋰電池的工作特性和環(huán)境，在車輛行駛過程中不可避免的會釋放出大量的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致電池組的溫度上升，電池組內(nèi)單體電池存在溫差會造成單體電池差異性進(jìn)一步加大，從而電池整體性能降低，某些情況下會發(fā)生破裂，起火甚至爆炸[3-9]因此為了保證動力鋰電池在充電和車輛行駛過程中的穩(wěn)定性和安全性，鋰離子電池的工作溫度應(yīng)保持在25～40℃之間，單體電池之間的最大溫差不宜超過5℃[9]。

國內(nèi)外學(xué)者對鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)做了大量研究。Chen等[10]通過實驗和數(shù)值模擬比較了不同冷卻方式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，發(fā)現(xiàn)間接液冷系統(tǒng)最高溫升最低，雖然冷卻性能比直接冷卻稍低但是卻更加實用。Jarrett[11]對BTM（Batty Thermal Management）中冷板作用做了詳細(xì)的描述。冷卻液通過泵輸送到冷板，通過冷板內(nèi)部的通道同時通過對流換熱帶走電池傳導(dǎo)到冷板的熱量，達(dá)到冷卻電池的目的，冷板的冷卻性能主要由通道的數(shù)量、幾何參數(shù)（形狀、高度、寬度等）、冷卻液的流向等決定。他們利用數(shù)值方法，通過改變通道的幾何參數(shù)對一種蛇形通道冷板進(jìn)行了優(yōu)化。Huo等[12]設(shè)計了一種微型通道冷板的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，通過改變通道數(shù)。流動方向、入口質(zhì)量流量對電池的最高溫度的影響，結(jié)果表明，電池最高溫度隨通道數(shù)和入口質(zhì)量流量的增加而降低。錢振等[13]采用微通道冷板對鋰電池進(jìn)行了冷卻，研究了流道數(shù)量、入口質(zhì)量流量、流道流向和寬度對電池組熱行為的影響。結(jié)果表明微通道液冷板對電池5C放電時的溫度具有良好的冷卻效率。Lan等[14]提出了一種鋁制微小通道的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)并對其性能進(jìn)行了研究，在放電速率為1C時，入口流量為0.20L/min，電池最大溫度不超過27.8℃，最大溫差小于0.8℃。

分流式微通道熱沉是Harpole[15]于1991年提出，其流動結(jié)構(gòu)見圖1，最先是為了解決高功率微電子器件的散熱問題，通過在微通道的微肋上增加一層分流結(jié)構(gòu)，改變熱沉內(nèi)部的流動結(jié)構(gòu)，由于分流式微通道自身的優(yōu)勢，在鋰電池散熱方面的潛力非常巨大：①結(jié)構(gòu)緊湊可以大大降低汽車熱管理系統(tǒng)的重量，從而提高車輛的續(xù)航能力;②優(yōu)良的換熱均勻性對于鋰電池的壽命非常重要，鋰電池在使用過程中的溫差過大會導(dǎo)致電池包整體的使用壽命減小。由于分流式熱沉的具有比傳統(tǒng)熱沉更好的換熱性能與熱均勻性，且目前在電池冷卻方面研究較少，本文通過數(shù)值模擬研究了普通熱沉和分流式熱沉對方形電池包的冷卻效果。

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1 物理模型

圖2為本文研究的方形鋰電池組的示意圖，該電池組一共包含18個電芯，編號如圖所示，電芯之間設(shè)置有一塊隔熱板，電池包下端有一塊導(dǎo)熱墊，導(dǎo)熱墊與熱沉直接接觸，熱沉的尺寸電池生熱由導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)給熱沉中的流動工質(zhì)，然后由流動工質(zhì)帶走熱量冷卻，電池的尺寸為148.2mm×497mm×91mm，單個電芯的尺寸為148mm×97mm×21mm。

1.2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定

本研究選擇的仿真軟件為starCCM+2020，網(wǎng)格劃分模型選擇多面體網(wǎng)格、薄體網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格，邊界層設(shè)置為3層，總厚度取進(jìn)口水力直徑的10%∶0.0003m。熱沉材料為鋁，冷卻工質(zhì)為乙二醇和水的混合物，按體積混合，比例為1∶1，混合后的密度為1071.1kg/m3，動力粘度為0.00394pa/s，進(jìn)口溫度為300K，電芯導(dǎo)熱率設(shè)置為各向異性，X、Y、Z方向的導(dǎo)熱率分別為23.4W/m·K、5.3W/m·K、17.4W/m·K，熱源設(shè)置為總熱源，為某方形鋰電池1C放電倍率下的發(fā)熱功率，電芯導(dǎo)熱率和發(fā)熱功率數(shù)據(jù)均為電池廠家提供。將發(fā)熱量表格導(dǎo)入STAR-CCM+將其作為電芯發(fā)熱功率，流動模型選擇k-ε湍流模型，進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流進(jìn)口，出口為壓力出口，計算假定固體物性不變，流體不可壓縮。

1.3 網(wǎng)格劃分與獨立性驗證

為保證本文計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，計算前首先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，可以看到隨著網(wǎng)格的數(shù)量超過159萬進(jìn)出口壓差變化很小，因此考慮到節(jié)約計算時間和計算機(jī)的性能，采用網(wǎng)格數(shù)量180萬進(jìn)行后續(xù)的計算（如圖3）。

2 ?仿真結(jié)果分析

圖4為進(jìn)口流量為0.03kg/s時，兩種熱沉冷卻的電池包溫度分布的俯視圖和側(cè)視圖，鋰電池冷卻的主要目的是控制電池的最高溫度和單體電池之間的溫差，從下面的溫度分布圖來看，顯然采用分流式熱沉的電池包溫度分布更加均勻，最大溫度更低，在進(jìn)口流量為0.03kg/s的情況下，其電池包的最大溫度和最大溫差分別為309.98°和6.52°，而采用矩形直通道熱沉在同等條件下最大溫度和溫差分別為310.99°和7.58°，分流式熱沉與矩形直通道熱沉相比，電池包的最大溫度降低了1.01°，最大溫差降低了1.06°。在其他的流量情況下電池包的溫差和最大溫度也有類似情況，這表明分流式熱沉式熱沉相較于矩形直通道熱沉具有更加優(yōu)良傳熱特性和溫度均勻性。

為進(jìn)一步分析不同電池單體同一區(qū)域的溫差情況，在每一個電芯的側(cè)邊面設(shè)置了三個溫度監(jiān)測點，不同電芯測溫點高度相同，從上到下共設(shè)置了3排54個溫度監(jiān)測點，記錄從放電過程開始到結(jié)束每一排測溫點的最大溫度變化，第一排溫度變化見圖5。

通過分析出每一排測溫點數(shù)據(jù)中溫度最大值和最小值，然后做差，即可得出每一排測溫點的最大溫差，圖6為入口流量為0.03kg/s的情況下分流式熱沉和矩形直通道熱沉冷卻電池包的監(jiān)測點最大溫差變化曲線，可以看出隨著放電時間的增加兩者的最大溫差均呈現(xiàn)不斷上升的趨勢一直到放電結(jié)束，矩形直通道冷卻的電池包上升的速率明顯高于采用分流式熱沉冷卻的電池包，在放電結(jié)束時，后者三排溫度監(jiān)測點的最大溫差依次為0.68°、0.47°和0.32°，而矩形直通道冷卻電池包的三排溫度監(jiān)測點最大溫差依次為1.56°、1.54°和1.16°，兩者的最大溫差均在電池的第一排即電池的上半部分，采用分流式熱沉冷卻的電池包相比采用矩形直通道冷卻的電池包，在其他的流量條件下也是類似情況，這表明分流式熱沉的熱均勻性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的矩形直通道熱沉。

3 ?結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬對比分析了采用分流式熱沉和矩形直通道熱沉冷卻的電池包的溫度特性得出了以下結(jié)論：

①隨著入口流量的增大，電池包的最大溫度逐漸下降，下降速率不斷減小，采用分流式熱沉冷卻的電池包的最大溫度在放電開始到結(jié)束均小于采用矩形直通道散熱結(jié)構(gòu)的電池包。且最大溫度區(qū)域都位于電池包的電極處。

②在相同流量條件下，采用兩種換熱散熱結(jié)構(gòu)的電池包單體的最大溫差均位于電極處，但采用分流式熱沉能夠更好的控制電池包的最大溫差，在0.03kg/s進(jìn)口流量的條件，不同電池單體的相同區(qū)域的最大溫差下降了56%、69%和72%。

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