鋰離子電池組間接接觸液冷散熱結(jié)構(gòu)研究

胡興軍 惠政 郭鵬 楊昌海 王靖宇 薛超坦 肖陽 張靖龍

摘 ???要：鋰離子電池組的散熱問題一直是影響電動汽車電池壽命以及行車安全性的重要因素.為了探究不同冷卻管道設(shè)計對鋰離子電池組散熱效果的影響，先通過數(shù)值計算方法對單個鋰離子電池在不同條件下放電時的表面溫度進(jìn)行研究，對比試驗結(jié)果，驗證仿真方法的正確性.在27 ℃下，對設(shè)計的8種不同冷卻結(jié)構(gòu)的散熱效果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)八的平均溫度為31.62 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.83，冷卻效果最佳;雙向流設(shè)計、進(jìn)口位置及支管分流情況、冷卻管道與電池組的接觸面積等因素均對電池組的散熱性能產(chǎn)生不同程度的影響，鋰離子電池組散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該綜合考慮.

關(guān)鍵詞：車輛工程;鋰離子電池;液冷;熱分析

中圖分類號：U469.72+2 ??????????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on the Indirect Contact Liquid Cooling Heat Dissipation

Structure of Lithium-ion Battery Pack

HU Xingjun， HUI Zheng，GUO Peng，YANG Changhai，WANG Jingyu

XUE Chaotan，XIAO Yang，ZHANG Jinglong

（State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control， Jilin University， Changchun 130025，China）

Abstract： The heat dissipation of lithium-ion battery pack has been an important factor affecting the battery life and traffic safety of electromobile. In order to explore the effect of different cooling pipeline design on the heat dissipation of lithium-ion battery pack， the surface temperature of a single lithium-ion battery under different conditions was studied by means of numerical calculation，and compared with the test results，the correctness of the simulation method was verified. Under the 27 ℃， the heat dissipation effects of eight different cooling structures were compared and analyzed， finding that the average temperature of 8th structure is 31.62 ℃ and the standard deviation is 0.83， which has the best cooling effect; the design of bidirectional flow， the inlet position ，the shunt situation of branch pipe， and the contact area between the cooling pipe and the battery pack will have different influences on the heat dissipation performance of the battery pack. Therefore， these factors should be taken into consideration in the design of the heat dissipation structure of lithium- ion battery pack.

Key words： vehicle engineering;lithium-ion battery pack;liquid cooling;thermal analysis

隨著電動新能源汽車的逐步普及，汽車動力電池也發(fā)展迅速[1-3].而鋰離子電池由于自放電低、升功率高、無記憶效應(yīng)、使用壽命長等優(yōu)勢，在電池動力源方面應(yīng)用廣泛[4].但動力電池的性能和壽命直接受溫度影響，所以對其自身溫度與電池組內(nèi)部溫度的均勻性的控制一直是各國的研究熱點(diǎn)[5].因電池組存放空間較小而電池數(shù)量龐大，致使電池緊密聚集，電池工作時產(chǎn)生的大量熱很難得到有效擴(kuò)散，熱量容易在電池組內(nèi)聚集而導(dǎo)致局部溫度過高，若電池組長期處在不均勻的熱環(huán)境下，電池容量會逐漸失衡，進(jìn)而破壞電池的同一性[6].因此需要保證動力電池在使用過程中得到充分冷卻，避免電池內(nèi)部溫度過高和溫差過大[7]，從而減小電池的不一致性[8].其中鋰離子電池的溫度范圍一般要控制在20～40 ℃，最大溫差不超過5 ℃[9].

鋰電池組冷卻方式根據(jù)冷卻形式不同可分為風(fēng)冷散熱、液冷散熱及相變材料冷卻[10].風(fēng)冷散

熱[11-12]布置方便、結(jié)構(gòu)簡單，功耗和成本低，在低速電動車中應(yīng)用比較廣泛.液冷散熱通過冷卻介質(zhì)與電池直接或間接接觸，利用介質(zhì)的高導(dǎo)熱性特點(diǎn)帶走熱量進(jìn)行冷卻，因其良好的冷卻效果得到廣泛的應(yīng)用[13-15].相變材料冷卻結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，再加上材料及成本的限制導(dǎo)致目前應(yīng)用較少.

液冷散熱分為直接接觸散熱和間接接觸散熱，直接接觸散熱由于冷卻液粘度較大的影響，流動相對緩慢，熱交換效率相比間接接觸散熱要低一些.因間接接觸液冷散熱的冷卻性能優(yōu)勢，本文采用這一冷卻方式，針對選定的鋰離子電池組模塊結(jié)構(gòu)，共設(shè)計8種間接接觸散熱結(jié)構(gòu)，運(yùn)用數(shù)值計算方法對比分析了27 ℃下各冷卻結(jié)構(gòu)的散熱效果，得到了影響冷卻結(jié)構(gòu)散熱效果的因素和最佳的冷卻方案.

1 ??模型方案及仿真方法驗證

1.1 ??幾何與網(wǎng)格模型

為便于仿真計算，本文對18650鋰離子電池進(jìn)行計算模型的簡化，根據(jù)計算需求，簡化后的模型僅保留電池正負(fù)極端、電池芯、電池殼體等部分.

單體電池尺寸為直徑18 mm、高65 mm、殼體厚度

0.5 mm.

為增大電池容量，提高電動汽車?yán)m(xù)航里程，鋰電池組內(nèi)往往單體鋰電池數(shù)量龐大，綜合考慮計算資源和盡量準(zhǔn)確地顯示電池組內(nèi)部的溫度場，本文選取64個18650單體電池為研究對象，通過并聯(lián)組成電池組模塊，冷卻管道穿插在鋰離子電池之間，在電池組外建立相應(yīng)的外殼，便于計算.

鋰離子電池的部分結(jié)構(gòu)尺寸較小，因此對局部細(xì)小部件進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，面網(wǎng)格尺寸為0.6 mm，局部加密處網(wǎng)格尺寸為0.4 mm.選用多面體網(wǎng)格生成器，最終通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，確定鋰離子電池組模型網(wǎng)格數(shù)為137.6萬，如圖1所示.

1.2 ??模型物理屬性

本文對鋰離子電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，為確保仿真計算的準(zhǔn)確性，需要對簡化后的電池組物理屬性進(jìn)行重新計算.簡化后鋰離子電池極坐標(biāo)下數(shù)值模型公式如下所示：

式中：Cp為比熱容;λr、λθ、λz為不同方向的導(dǎo)熱系數(shù); ρ為密度.

式中： ρi為不同電池層材料密度;Vi為不同電池層材料體積;ρ為電池等效密度.

式中：Cp，i為不同電池層材料比熱容;Cp為電池等效比熱容.

由于導(dǎo)熱系數(shù)與材料的連接方式有關(guān)，在X軸和Z軸方向，熱量分別以串聯(lián)方式和并聯(lián)方式傳遞，所以相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值也不一致.而X與Y軸方向因電池模型的對稱性，導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值相等.故電池在不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)可根據(jù)下式計算：

式中：Ai為不同電池層截面積;λi為不同電池層導(dǎo)熱系數(shù);Li為不同電池層厚度.

根據(jù)上述計算方法最終得到簡化后的鋰電池物理參數(shù)，如表1所示.

為增強(qiáng)冷卻效果，本文在電池組中鋰離子單體電池與冷管管道之間縫隙填充導(dǎo)熱硅膠，液體冷卻介質(zhì)選用50%乙二醇溶液，材料屬性如表2所示.

1.3 ??仿真方法與試驗驗證

為驗證本文鋰離子電池簡化模型和仿真方法，分別在0 ℃、27 ℃以及40 ℃三個溫度環(huán)境下進(jìn)行試驗研究，傳感器分別布置于電池上、中、下三個不同位置，傳感器與電池表面之間添加導(dǎo)熱硅脂，如圖2所示.以27 ℃時1C放電試驗為例，首先將放完電的鋰離子電池放置到27 ℃實驗箱內(nèi)1 h，保證電池溫度與環(huán)境溫度一致;然后以1C恒流充電至電壓

4.2 V，以恒壓充電至電流為0.01C，完成充電后擱置1 h;再以1C的恒流放電至電池的截止電壓為2.7 V后將電池擱置1 h;記錄試驗過程中的溫度數(shù)據(jù).

取5種不同放電倍率下3個傳感器溫度的平均值為研究對象，與相同條件下的試驗研究結(jié)果進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知，在0 ℃、27 ℃以及40 ℃三個溫度環(huán)境下5種不同放電倍率之間的電池表面溫度數(shù)值均相近，說明本文使用的單體電池簡化模型和仿真方法能比較準(zhǔn)確地模擬鋰離子電池放電時的發(fā)熱狀態(tài).因此以上述鋰離子電池簡化模型和仿真方法來進(jìn)行研究鋰離子電池散熱研究是合理的.

2 ??散熱結(jié)構(gòu)仿真建立

2.1 ??散熱結(jié)構(gòu)模型

在鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)中，由于外部殼體的隔熱作用，內(nèi)部電池組在放電時產(chǎn)生的熱量只能通過冷卻介質(zhì)散發(fā)出去，因此合理的冷卻液管道結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要.為了探究影響管道結(jié)構(gòu)散熱效果的結(jié)構(gòu)因素以及獲得最優(yōu)的管道結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文設(shè)計了如下冷卻結(jié)構(gòu)形式，具體尺寸如圖4所示.

2.2 ??鋰離子電池?zé)嵩磪?shù)

根據(jù) Bernardi[16]公式（6）電池的生熱率為

式中：I為電流，A;U和UOC分別為工作電壓和開路電壓，V;V為生熱體體積，m3;T為溫度;■為電壓隨溫度變化的系數(shù)，一般取經(jīng)驗值[17];R為鋰離子電池的歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻之和;q為生熱速率，

W/m3.

本文采用HPPC測試方法測試鋰離子電池內(nèi)阻.以鋰離子電池組27 ℃下5C放電為例，測試步驟如下：1）首先將18650鋰離子電池放置在溫度為27 ℃的實驗箱，進(jìn)行完全放電，1 h后，以1C倍率將電池充滿，保持50 min以上，使電池溫度恢復(fù)至27 ℃;2）鋰離子電池進(jìn)行開路電壓測量，首先用5C放電倍率進(jìn)行脈沖放電，時間為10 s，然后擱置40 min，再以3.75C倍率進(jìn)行脈沖充電，持續(xù)10 s;3）用1C倍率恒流放電至總電量的90%;放置30 min，使電池溫度再次恢復(fù)至27 ℃;4）對剩余電量每隔10%進(jìn)行一次HPPC實驗，并記錄放電和開路電壓.

電池的放電歐姆內(nèi)阻Ro、放電極化內(nèi)阻Rp和放電總內(nèi)阻R可由歐姆定律得出：

式中：ΔIo、ΔUo、ΔIp、ΔUp、ΔI、ΔU分別代表鋰離子電池放電時電流和電壓的脈沖變化;U1、U2、U3對應(yīng)圖5中的電壓.

經(jīng)過計算[18]可得不同SOC下鋰離子電池放電時的生熱速率，如圖6所示，并將該數(shù)據(jù)作為熱源輸入到仿真模擬中.

2.3 ??邊界條件

本文選用k-ε模型來研究鋰離子電池湍流熱傳導(dǎo)問題.冷卻管道流速設(shè)置為2 L/min，冷卻液及電池內(nèi)外環(huán)境溫度為27 ℃，出口設(shè)置為pressure-out;鋰離子電池組外殼設(shè)為絕緣，即阻斷電池組內(nèi)部與外部之間的熱量交換，保證內(nèi)部熱量只通過冷卻介質(zhì)導(dǎo)出;鋰離子電池內(nèi)部材料屬性參考表1和表2;熱源邊界條件設(shè)置為體熱源.

3 ??結(jié)果分析

3.1 ??電池組表面溫度分布云圖分析

由圖7可知，不同的鋰離子冷卻管道結(jié)構(gòu)的電池表面溫度分布差異較大.對于結(jié)構(gòu)設(shè)計一，由于冷卻管道間隔布置，導(dǎo)致背離冷管的一側(cè)鋰離子電池溫度較高;因冷卻液逐漸吸收電池?zé)崃慷鴾囟壬仙?，致使冷卻液出口處的冷卻效果較差，溫度明顯高于入口處.結(jié)構(gòu)設(shè)計二采用雙向反向流道設(shè)計，但進(jìn)出口處單個鋰離子電池自身溫差變大.

結(jié)構(gòu)三對每個單體電池進(jìn)行冷卻管道的包圍設(shè)計，有效增加了冷卻管道與電池組的接觸面積，因此具有較好的冷卻性能，電池組內(nèi)部平均溫度較低，但冷卻液入口處的溫度太低造成進(jìn)出口溫度差別較大;結(jié)構(gòu)四同樣采用雙向反向流道設(shè)計，減小了結(jié)構(gòu)設(shè)計三中冷卻液進(jìn)出口處的溫度差別，且電池組內(nèi)最高溫度有所降低.可見，雙向流結(jié)構(gòu)設(shè)計能有效提高不同單體電池溫度分布的均勻性，但會造成進(jìn)出口處的鋰離子電池自身上下溫差增大的現(xiàn)象，最終電池自身溫差相差不大.

結(jié)構(gòu)設(shè)計五使用支路設(shè)計，但支路分流不均使支路間冷卻效果差異很大，靠近出口側(cè)的鋰離子電池表面溫度過高，不能滿足鋰離子電池組溫度的控制要求;結(jié)構(gòu)設(shè)計六將進(jìn)口調(diào)至另一側(cè)，改變了管道內(nèi)支路的流動狀態(tài)，使最高溫度有所下降，但電池內(nèi)部溫度分布均勻性仍然較差.可見，通過改變進(jìn)出口的位置改變各支路分流，對電池組的冷卻性能也有明顯影響.

結(jié)構(gòu)設(shè)計七添加了5條支路管道，有效增加了電池組與冷卻管道的接觸面積，平均溫度下降明顯，但冷卻液進(jìn)口位置溫度過低，造成電池組整體溫差變大.結(jié)構(gòu)設(shè)計八相對于結(jié)構(gòu)一增加了冷卻管道布置密度，使冷卻管道貫穿于電池組內(nèi)部每行縫隙中，增加了有效冷卻面積，改善了冷卻效果，又避免了結(jié)構(gòu)三中入口處溫度過低的現(xiàn)象，冷卻液進(jìn)出口溫差較小，電池組內(nèi)部溫度分布均勻且平均溫度較低，通過比較可見結(jié)構(gòu)八的冷卻性能最佳.可見，增加電池組內(nèi)冷卻管道與電池的接觸面積可有效降低電池組內(nèi)部溫度.

為了對各結(jié)構(gòu)的冷卻性能進(jìn)行進(jìn)一步量化分析，現(xiàn)提取每一種冷卻結(jié)構(gòu)下電池組內(nèi)的最高、最低溫度及溫差數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表3所示.

由表3可知，對于上述八種冷卻管道，結(jié)構(gòu)八中鋰離子電池組的溫差最小，且其電池組內(nèi)最高溫度最低，具有較好的冷卻性能，這與不同冷卻管道的電池組溫度分布云圖相吻合.

3.2 ??電池組表面溫度占比分析

為了更準(zhǔn)確地分析各冷卻管道結(jié)構(gòu)的散熱效果，本文進(jìn)一步對鋰離子電池表面的溫度分布占比進(jìn)行了統(tǒng)計整理，對比了上述八種冷卻管道結(jié)構(gòu)的平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差大小，結(jié)果如圖8所示.

根據(jù)圖8對比結(jié)果顯示，各冷卻管道中，結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)八的平均溫度均較低，但標(biāo)準(zhǔn)差差別較大，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計三雖然有良好的散熱效果，但其散熱不均，造成電池組內(nèi)溫度分布差別較大;結(jié)構(gòu)設(shè)計二和四相比結(jié)構(gòu)一和三方差均有所減小，說明采用雙向反向流道設(shè)計后，電池組內(nèi)溫度分布更加均勻;結(jié)構(gòu)設(shè)計六通過更改進(jìn)口位置，使電池組內(nèi)平均溫度和方差相比結(jié)構(gòu)五均有所降低.

結(jié)構(gòu)五的溫度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差都是最高的，說明結(jié)構(gòu)五流道設(shè)計不合理，造成冷卻液流動受阻而使局部溫度過高;而結(jié)構(gòu)八的平均溫度為31.62 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.83，都是這八種結(jié)構(gòu)中最低的，所以結(jié)構(gòu)八的冷卻效果最好，與前文溫度分布云圖分析一致.

4 ??結(jié) ??論

1）在冷卻管道設(shè)計時，雙向流結(jié)構(gòu)能有效提高不同單體電池溫度分布的均勻性，同時會造成進(jìn)出口處的鋰離子電池自身上下溫差增大的現(xiàn)象，但最終電池自身溫差相差并不大.

2）在冷卻管道結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時，通過改變進(jìn)口位置改善冷卻管道內(nèi)的流動狀態(tài)，能改善電池組內(nèi)部溫度分布的最大值及均勻性.

3）增加電池組內(nèi)冷卻管道與電池的接觸面積，可以有效改善電池組散熱性能，降低電池組內(nèi)平均溫度，但設(shè)計不合理時也容易造成冷卻液進(jìn)口溫度過低的現(xiàn)象.

4）本文通過單體電池放電時溫度分布的仿真

與試驗研究，驗證了鋰離子電池簡化模型及仿真方法的可行性;比較分析八種不同的冷卻管道結(jié)構(gòu)下鋰離子電池組放電時的溫度分布云圖及溫差、溫度占比等數(shù)據(jù)，確定冷卻管道結(jié)構(gòu)八有最佳冷卻效果，為鋰離子電池組散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究提供重要參考.

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