液冷板電池組散熱性能仿真及優(yōu)化

徐海峰，蘇林，盛雷

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

電動(dòng)車輛在緩解能源危機(jī)和降低環(huán)境污染方面有巨大的潛力，鋰離子電池因其高能量密度而被視為電動(dòng)車輛動(dòng)力源的解決方案之一[1-3]。此外，動(dòng)力電池還是熱泵空調(diào)能量提供者，隨著汽車行駛工況、空調(diào)負(fù)荷等因素的改變[4-6]，動(dòng)力電池工作溫度會(huì)有較大波動(dòng)。具體體現(xiàn)在：電池溫度過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響電池容量、電壓均衡等方面[7-10]，甚至引發(fā)熱失控；鋰離子電池對(duì)高溫和低溫的敏感性，要求其工作溫度保持在20 ℃～40 ℃，電池內(nèi)部溫差控制在5 ℃以內(nèi)[10-11]。

眭艷輝等[12]研究了圓柱形電池在不同排列方式下采用空氣冷卻的效果，雖然電池模塊溫差保持在5 ℃以下，但最高溫度卻達(dá)到了51 ℃，這是因?yàn)榭諝鉄崛萘枯^低，無(wú)法充分地帶走電池產(chǎn)生的熱量。與空冷相比，液體熱容量較高，而且可以有效地控制電池工作溫度[13]。以液體作為冷卻介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有良好的散熱效果，成為最具商業(yè)化的熱管理方式之一。KIM等[14]設(shè)計(jì)了蛇形液冷板，以乙二醇溶液作為冷卻介質(zhì)研究電池的散熱效果；其研究表明，電池的最高溫度低于40 ℃，獲得了理想的散熱效果。王麗芳等[15]提出了一種雙進(jìn)雙出的液冷板結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液冷板表面的溫差為2.61 ℃，電池單體溫差低于3.00 ℃。為了探討流道尺寸及流體流速對(duì)冷板散熱性能的影響，HAN等[16]基于正交陣列多因素的方法，采用流道寬度、高度、數(shù)量以及冷卻液流速4個(gè)變量模擬了冷板散熱性能；結(jié)果表明，在流道寬度、高度、數(shù)量以及冷卻液流速分別為45 mm、5 mm、4個(gè)和0.07 m/s時(shí)，冷板的散熱效果最優(yōu)，為冷板的設(shè)計(jì)提供了參考。

本文以某型動(dòng)力電池液冷板為研究對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法[17]建立鋰離子電池組和液冷板三維模型，研究了電池放電倍率、冷卻液入口溫度和流速 3個(gè)變量下的電池組瞬態(tài)溫度場(chǎng)，進(jìn)而分析液冷板的散熱效果，針對(duì)散熱效果的不足提出了改進(jìn)措施。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型

該模型共包含電池組和液冷板兩個(gè)部分。其中，電池組是由 15個(gè)電池模組單元組成，每個(gè)電池模組共有8個(gè)磷酸鐵鋰電池。圖為液冷板內(nèi)部流道幾何模型，流道厚度為4 mm，流道上方為1 mm后的鋁板，并與電池組有良好的接觸，冷卻液流向如圖1中箭頭所示。

圖1 液冷幾何模型

本文選取電池組為分析對(duì)象，通過(guò)在設(shè)定工況下研究液冷板對(duì)電池組的散熱效果。本文選用的電池為方形磷酸鐵鋰電池，表1為單體電池參數(shù)。

表1 鋰離子電池參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

該模型流道區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分比較簡(jiǎn)便。網(wǎng)格劃分完畢后，將網(wǎng)格分為固體區(qū)域和流體區(qū)域；固體區(qū)域包含電池箱和液冷板，網(wǎng)格數(shù)量為196,237個(gè)，流體區(qū)域?yàn)榱鞯?，網(wǎng)格數(shù)量為436,056個(gè)，總網(wǎng)格數(shù)量為632,293個(gè)；最終的計(jì)算模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2 邊界條件

2.1 熱源邊界

鋰離子動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中的生熱量主要由反應(yīng)熱Qr、歐姆熱QJ、極化熱Qp及副反應(yīng)熱Qs這4個(gè)部分組成[18]。鋰離子動(dòng)力電池的實(shí)際生熱量Qt可用公式(1)表示：

在實(shí)際工作過(guò)程中，電池的生熱量會(huì)隨著車輛行駛狀態(tài)而改變，在加速、爬坡和高速行駛等狀態(tài)下電池的放電倍率顯著提升，導(dǎo)致生熱量加大。本文研究環(huán)境溫度為30 ℃，電池在1 倍率至5倍率放電狀態(tài)下的電池溫度場(chǎng)，以及液冷板對(duì)電池組的散熱效果。

本文采用BERNARDI等[19]提出的基于電池系統(tǒng)能量平衡關(guān)系的電池生熱速率模型來(lái)表述電池的生熱量，如公式(2)所示。

式中：

Ri——電池等效內(nèi)阻，Ωm3；

i——電池工作電流，A；

UOCV——電池開(kāi)路電壓，V。

根據(jù)式(2)對(duì)磷酸鐵鋰電池生熱量進(jìn)行擬合，得到 30 ℃下電池 5種倍率放電狀態(tài)下的體積生熱功率密度，如圖3。由圖3可知，生熱量隨電池放電倍率增加而增大；且隨著放電深度增大，生熱量不斷升高，在荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）從0.1降到 0時(shí)，生熱量升高速度加快，與文獻(xiàn)[20]有同樣的趨勢(shì)。

2.2 材料屬性

該液冷模型由3部分組成：電池組、液冷板和冷卻液流道，因此對(duì)上述3個(gè)部分分別設(shè)定材料屬性。電池組的材料屬性設(shè)置如下：密度1,792 kg/m3，比熱容1,305 J/(kg?K)，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為各向異性，其厚度方向、高度方向和寬度方向的導(dǎo)熱系數(shù)分別設(shè)為2.595 W/(m?K)、20.739 W/(m?K)和 20.739 W/(m?K)。

電池液冷板采用鋁材料，其密度、比熱容和導(dǎo)熱 系 數(shù) 分 別 為 2,719 kg/m3、 871 J/(kg?K)和202.4 W/(m?K)。冷卻液為50%乙二醇水溶液，其物性參數(shù)設(shè)置為：密度 1,068.75 kg/m3、比熱容3,319 J/(kg?K)、導(dǎo)熱系數(shù) 0.387 W/(m?K)、動(dòng)力粘度2.94×10-3kg/(m?s)。

2.3 流體進(jìn)出口與壁面邊界

冷卻液進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，出口為壓力出口，氣壓值為大氣壓；選取5種不同的冷卻液流速進(jìn)行對(duì)比分析，流速分別設(shè)置為 0.51 m/s、0.63 m/s、0.76 m/s、0.89 m/s和1.01 m/s。進(jìn)口處的雷諾數(shù)根據(jù)公式(3)進(jìn)行計(jì)算：

式中：

ρ——流體密度，kg/m3；

v——流體流速，m/s；

d——特征長(zhǎng)度，m；

μ——?jiǎng)恿φ扯龋琍a/s。

計(jì)算模型的外邊界采用第3類邊界條件進(jìn)行加載，自然對(duì)流系數(shù)設(shè)為3 W/(m2?K)，邊界處的空氣溫度設(shè)為 30 ℃。在研究冷卻液入口溫度對(duì)電池組散熱效果的影響時(shí)，分別將流體溫度設(shè)置為22 ℃、24 ℃、26 ℃、28 ℃和 30 ℃。

2.4 數(shù)值求解

使用 CFD軟件對(duì)電池放電倍率下的瞬態(tài)生熱量和時(shí)間進(jìn)行控制，在1倍率、2倍率、3倍率、4倍率和 5倍率下的放電時(shí)間分別設(shè)置為 3,600 s、1,800 s、1,200 s、900 s和720 s，每秒迭代10次。

2.5 仿真模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性，對(duì)不同放電倍率下的模型散熱效果進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)開(kāi)始前電池組均為滿電狀態(tài)，試驗(yàn)中冷卻液流速為 0.76 m/s、環(huán)境溫度控制在 30 ℃，試驗(yàn)結(jié)束后得到電池組在不同放電倍率下完全放電后的溫度數(shù)據(jù)，并將其與仿真值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

圖3 不同放電倍率下的電池體積生熱功率密度

從表2電池組溫度仿真值與測(cè)試值對(duì)比中可以看出，在1倍率至5倍率放電時(shí)，測(cè)試溫度值比仿真值偏高0.80 ℃～3.70 ℃，誤差值在8.4%以內(nèi)，引起誤差的原因主要由環(huán)境溫度波動(dòng)、測(cè)量誤差、計(jì)算誤差等造成。此外，測(cè)試值與仿真值波動(dòng)趨勢(shì)一致，可認(rèn)為仿真結(jié)果基本符合實(shí)際測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了模型的有效性。

表2 電池組測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

3 電池組溫度場(chǎng)仿真分析

冷卻液入口流量是影響液冷式動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱能力的因素之一，提升和降低冷卻液流量可以強(qiáng)化和削弱冷卻液的換熱效果；而動(dòng)力電池的生熱量由汽車行駛工況決定，高速工況下電池的生熱量會(huì)成倍高于低速工況下的生熱量。此外，不同的冷卻液溫度也是影響電池散熱效果的重要因素。因此，本文從電池放電倍率、冷卻液入口流速和冷卻液入口溫度3個(gè)參數(shù)對(duì)散熱模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)仿真結(jié)果分析以上3個(gè)變量對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響。

3.1 不同放電倍率下的電池組溫度場(chǎng)

在冷卻液入口流速和溫度分別為 0.76 m/s和30 ℃下，得到電池組最高溫度、均溫和最大溫差在各個(gè)放電倍率下的數(shù)值，如表3。

表3 不同放電倍率下電池組溫升、溫差

圖4為電池組平均溫度、最高溫度和最大溫差隨放電倍率的變化曲線。

從表3與圖4中可以得出：電池組最高溫度和最大溫差隨放電倍率增大波動(dòng)上升，而電池組平均溫度呈現(xiàn)出線性升高的趨勢(shì)；表明外部環(huán)境和冷卻條件不變時(shí)，電池組放電倍率的增大只會(huì)惡化其工作環(huán)境溫度。當(dāng)放電倍率達(dá)到3倍率或以上時(shí)，最高溫度超過(guò)了40 ℃，而電池組內(nèi)部最大溫差在2倍率放電時(shí)超過(guò)5 ℃，這說(shuō)明了在高倍率放電下需要改變冷卻條件或優(yōu)化措施來(lái)控制電池組的溫度。

圖4 電池組溫隨放電倍率變化關(guān)系

3.2 冷卻液流速對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響

通過(guò)計(jì)算得到：當(dāng)入口流速達(dá)到0.89 m/s時(shí)，冷卻液流動(dòng)類型為湍流。在保證環(huán)境溫度和冷卻液溫度均為 30 ℃、電池放電倍率為 5的條件下，選擇表4中冷卻液入口流速進(jìn)行仿真計(jì)算。

表4 不同冷卻液流速下電池組溫升、溫差

圖5為電池組平均溫度、最高溫度和最大溫差隨冷卻液入口流速變化曲線。

圖5 電池組溫隨冷卻液入口流速變化關(guān)系

從圖5和表4中可以得出：電池組的溫度隨著冷卻液流速的增加而減小，電池組內(nèi)部溫差卻隨著冷卻液流速的增加而升高。當(dāng)流體從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧髁鲃?dòng)后，電池組溫度有顯著的波動(dòng)，這是由于流動(dòng)方式的改變?cè)鰪?qiáng)了液冷板與電池組之間的換熱效果，從而以電池溫度波動(dòng)的形式反映出來(lái)。但可以看到，即使冷卻液流速?gòu)?0.76 m/s提高到0.89 m/s，電池組的最高溫度減小到45.20 ℃，且溫差達(dá)到了14.00 ℃，散熱效果沒(méi)有得到改善。

3.3 冷卻液溫度對(duì)電池組溫度場(chǎng)的影響

降低冷卻液入口溫度可以增加電池組與液冷板之間的溫差，是增強(qiáng)換熱的方法之一。本文選用5個(gè)冷卻液入口溫度作為變量，分析電池組溫度的分布情況（表5）。

圖6為電池組平均溫度、最高溫度和最大溫差隨冷卻液入口溫度的變化曲線。

表5 不同冷卻液溫度下電池組溫升、溫差

圖6 電池組溫隨冷卻液入口溫度變化關(guān)系

從圖6和表5中可以得出：當(dāng)冷卻液入口溫度從30 ℃降低到22 ℃時(shí)，電池組最高溫度降低了2.20 ℃，但最大溫差卻增加到了20.10 ℃；其原因是電池組下方靠近冷卻液，使最低溫度降低明顯，因而擴(kuò)大了電池組內(nèi)部溫差。仿真結(jié)果表明，雖然降低冷卻液溫度可以降低電池組最高溫度，但與此同時(shí)擴(kuò)大了內(nèi)部的溫差，因此無(wú)法改善電池組的散熱效果。

3.4 優(yōu)化模型散熱效果分析

降低冷卻液溫度和提升流量對(duì)電池組的散熱效果無(wú)明顯改善，反而會(huì)帶來(lái)過(guò)大的內(nèi)部溫差和冷卻液泵功耗，且當(dāng)放電倍率增加時(shí)也會(huì)使得電池組溫度惡化，因而對(duì)液冷板結(jié)構(gòu)及其在電池組中的布置方案進(jìn)行了改進(jìn)，如圖7所示。兩個(gè)液冷板放置于電池模組中間，與電池組緊密接觸，向液冷板流道內(nèi)通入 50%乙二醇水溶液帶走電池產(chǎn)生的部分熱量。單個(gè)液冷板中布置有“U”型流道，其厚度為 4 mm，流道壁面到電池組壁面處的冷板厚度為1 mm，液冷板為上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示。

圖7 優(yōu)化后的液冷幾何模型

設(shè)定該模型的初始條件為：環(huán)境溫度30 ℃、冷卻液入口溫度30 ℃和5倍電池放電倍率，分別取表4中對(duì)應(yīng)的液冷板并聯(lián)支路流速，其余條件和設(shè)置不變，進(jìn)行仿真計(jì)算得到電池組溫度數(shù)據(jù)，如表6。

表6 優(yōu)化后不同冷卻液流速下的電池組溫升、溫差

圖8將液冷板優(yōu)化前后的電池組平均溫度、最高溫度和最大溫差隨冷卻液入口流速變化進(jìn)行了比較。

圖8 優(yōu)化后的冷卻液流速與電池組溫變化關(guān)系

從圖8、表4和表6中可以得出：在5種冷卻液流速下，液冷結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的電池組最高溫度的降幅維持在2.50 ℃～2.80 ℃，在0.46 m/s的流速下電池組最高溫度降幅最大，溫降為2.80 ℃。冷卻液流速?gòu)?.31 m/s增加至0.46 m/s過(guò)程中，優(yōu)化模型中的電池組最高溫度下降速率高于優(yōu)化前，這說(shuō)明了優(yōu)化模型對(duì)降低電池組最高溫度有一定的改善作用。

優(yōu)化模型中的電池組溫差降低幅度在3.50 ℃～3.70 ℃，溫差降低顯著。上述優(yōu)化模型取得的成果歸結(jié)于：優(yōu)化后的液冷結(jié)構(gòu)使得總體熱傳遞的路徑減小，從而改善了液冷板的散熱效果。經(jīng)優(yōu)化前后散熱效果對(duì)比，本小節(jié)提出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)改善了電池組溫度和溫差，為液冷板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

本文在某型動(dòng)力電池液冷板的基礎(chǔ)上進(jìn)行電池組的幾何建模，建立起計(jì)算模型并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；在電池放電倍率、冷卻液入口溫度和流速下得到電池組的溫度數(shù)據(jù)。為了改善電池組在高倍率放電狀態(tài)下的工作環(huán)境溫度，進(jìn)一步提出改進(jìn)的液冷板模型，得到以下結(jié)論。

1）電池溫度隨放電倍率的增加而升高，當(dāng)電池組5倍率放電時(shí)，提高冷卻液流速和降低冷卻液溫度都無(wú)法使得電池組處于最佳的工作溫度范圍。當(dāng)冷卻液流速增加時(shí)，電池最高溫度略有小幅度下降，但溫差幾乎不變，并且會(huì)增加水泵功耗。降低冷卻液溫度的散熱效果優(yōu)于增加冷卻液流速，但會(huì)使得電池組溫差逐漸增大，當(dāng)冷卻液入口溫度為22 ℃時(shí)，溫差達(dá)到了20.10 ℃。通過(guò)不同放電倍率下的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的溫度與仿真值偏差始終小于8.4%，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2）基于電池組的幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)原有的液冷板結(jié)構(gòu)和放置位置進(jìn)行了調(diào)整，并取原有冷板并聯(lián)支路中的流速進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，在同一工況下，電池組最高溫度和溫差降低幅度最高可達(dá)到 2.80 ℃和 3.70 ℃，改進(jìn)后的液冷板散熱效果有顯著提高。