基于液冷的圓柱鋰離子電池冷卻器的研究

汪繽繽，胡緒照

基于液冷的圓柱鋰離子電池冷卻器的研究

汪繽繽，胡緒照

（巢湖學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

文章基于擠壓成型工藝提出一種新型圓柱鋰離子電池冷卻器，通過Fluent仿真，研究液體冷卻時不同液體流速，冷卻器長度和環(huán)境溫度對于電池模組溫度變化的影響。隨著入口速度的增加，電池模組的最高溫度和溫差均逐漸下降，其中最大溫差小于3.0 K。入口速度為0.004 m/s時，放電結(jié)束時的最高溫度為311.12 K。減小入口溫度，可以有效降低最高溫度，但是對于電池模組的溫差影響很小。隨著冷卻器長度減小，最高溫度和溫差均有明顯的變化。其中，當(dāng)L=55 mm時，其性價(jià)比最高。研究可為電池?zé)峁芾矸桨傅脑O(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

鋰離子電池；液冷；冷卻器；仿真

引言

為了減少化石能源消耗和碳的排放，大多數(shù)國家正在促進(jìn)電動汽車的發(fā)展。在各種類型的電池中，鋰離子電池具有高比能量，長循環(huán)壽命和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，作為儲能單元被廣泛應(yīng)用于電動汽車中[1~2]。但是，鋰離子電池的工作性能與工作溫度密切相關(guān)。在放電或充電過程中，由于內(nèi)部電阻效應(yīng)和電池內(nèi)部的極化反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱[3]。熱量的積累將導(dǎo)致電池組的溫度上升和溫差增大，從而導(dǎo)致電池的容量衰減和熱失控。此外，操作條件，如極速充電，不利的氣候和電池老化等，也會導(dǎo)致電池組產(chǎn)生過多的熱量。根據(jù)現(xiàn)有研究，鋰離子電池的適宜溫度范圍在298 K和313 K之間，并且適宜的溫差低于5 K[4~5]。因此，高效的電池?zé)峁芾矸椒▽τ陔姵氐氖褂脡勖头€(wěn)定性都至關(guān)重要。

現(xiàn)有的BTM技術(shù)主要包括空氣冷卻[6]，液體冷卻[7]，相變冷卻[8]和混合冷卻[9]。其中，液體冷卻具有高效和緊湊的優(yōu)點(diǎn)，更適合于電池汽車的電池?zé)峁芾怼?/p>

馮能蓮等[10]提出了一種蜂巢式液冷電池模塊，通過試驗(yàn)研究了不同環(huán)境溫度下電池模組的充放電溫度變化。結(jié)果表明，當(dāng)冷卻液流量大于1 L/min時，電池模組313 K環(huán)境溫度下以1 C恒流放電，其最大溫差能保持在所要求的5 K以內(nèi)。王普浩等[11]通過仿真研究了電池冷卻系統(tǒng)內(nèi)部流體的阻力作用和分流、匯流作用的影響，通過改變進(jìn)出口的五通接頭及排出Y型三通接頭等連接件，使系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行換熱的各冷卻液流道流量分配更加均勻，速度趨于一致，降低了流體阻力損失。鄒曉輝等[12]采用變結(jié)構(gòu)熱管流道設(shè)計(jì)，對電池模組溫度進(jìn)行控制。通過Fluent仿真分析發(fā)現(xiàn)，在3 C放電倍率下，與傳統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)冷卻板相比，90°型流道變結(jié)構(gòu)可以使動力電池模組的最高溫度降低0.56 K，光滑彎曲流道變結(jié)構(gòu)使動力電池之間的溫差降低0.36 K。

因此，液體冷卻方法可以對鋰離子電池起到良好的控溫效果。本文基于擠壓成型工藝提出一種新型圓柱鋰離子電池冷卻器，通過Fluent仿真，研究了不同液體流速，冷卻器長度和環(huán)境溫度對于電池模組溫度變化的影響，可為電池?zé)峁芾矸桨傅脑O(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 模型和仿真

1.1 模型介紹

本文提出一種新型基于液冷的圓柱鋰離子電池冷卻器。圖1為圓柱鋰離子電池模組。主要包括電池、冷卻水管、冷卻器。其中電池以22 mm的等間距進(jìn)行交錯排布，冷卻器嵌入在電池之間的空隙。冷卻器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。冷卻器的60°圓弧面與電池外表面接觸，其中，圓弧面的半徑與電池半徑相等。冷卻器中間的圓形通道用于冷卻水的流動，直徑為2 mm。冷卻水從入口進(jìn)入水管，通過兩極水管的分流后，進(jìn)入各個冷卻器中。電池在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱，冷卻水通過冷卻器與電池發(fā)生熱交換。當(dāng)冷卻水流出冷卻器，從出口流出電池模組時，可以帶走大量的熱，從而達(dá)到對電池模組的控溫效果。冷卻器底面與電池底部對齊，長度為L作為變量，將討論其對于電池冷卻的影響。

考慮數(shù)值模擬的時間成本以及電池模組的周期性變化，本次模擬選取一個冷卻器及其周圍的局部電池進(jìn)行研究，如圖1（b）和圖3所示。其中，水管的入口設(shè)置為velocity-inlet。水管出口設(shè)置為pressure-outlet，電池截面設(shè)置為對稱面system，其他壁面設(shè)置為Wall。三維模型創(chuàng)建好之后，利用fluent-meshing對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 電池模組

圖2 冷卻器結(jié)構(gòu)

圖3 仿真模型及網(wǎng)格劃分

1.2 生熱測量

選用18650鋰離子電池(Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2/C，容量：2 Ah)測量實(shí)際電池的工作溫度，電池參數(shù)如表1所示。為了測量電池在放電過程中的溫度變化，3個K型熱電偶被安裝在電池頂部、中部和底部附近，對這3個點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測，取平均數(shù)作為電池溫度，如圖4所示。本文的試驗(yàn)溫度和仿真的環(huán)境溫度均為室溫，維持在298 K。

圖4 電池溫度測試實(shí)驗(yàn)

表1 材料熱物理參數(shù)

1.3 控制方程

鋰離子電池的能量守恒方程可以表示為[14]：

在鋰電池放電過程中，鋰電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)部電阻引起了溫度的變化。熱產(chǎn)生率Q描述為[14]：

雷洛數(shù)是判斷流體流動狀態(tài)的重要參數(shù)，計(jì)算公式如下：

其中，和分別是冷卻水的入口流速，密度和動力黏度。D是冷卻水流動通道的水力直徑。由于雷洛數(shù)小于2300，流體選用層流模型進(jìn)行研究。

本研究中的BTMS包括液體冷卻和空氣冷卻，仿真采用的能量守恒方程、連續(xù)方程和動量守恒方程如下[7]：

2 結(jié)果和討論

當(dāng)鋰離子電池以恒流放電時，電池?zé)峁芾淼娜肟谒俣?、環(huán)境溫度和冷卻器長度的變化都會影響其溫度特性。因此，本文研究電池以3C-rate放電1000 s的情況下，不同參數(shù)對電池模組溫度的影響。圖5是3C放電時單體電池的平均溫度隨時間的變化，從圖中可以看出仿真和試驗(yàn)的數(shù)據(jù)誤差在0.5%以內(nèi)，吻合性很好，可以證明本文中的熱模型滿足計(jì)算要求。

其中是阻力系數(shù)，S和L是分別為冷卻器中冷卻水流動通道的截面積和長度。根據(jù)哈根-泊肅葉公式，當(dāng)流體為層流時，阻力系數(shù)λ可根據(jù)下式得出：

當(dāng)冷卻器中冷卻水流動通道的直徑為2 mm，長度為65 mm時，沿程阻力的理論計(jì)算值和仿真值在不同雷洛數(shù)時的對比如圖5所示。從圖中可以看出，仿真值和理論值的誤差較小，可以證明本文采用的流體模型具有可靠性。

圖5 平均溫度（a）和沿程阻力（b）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)比較

2.1 入口速度的影響

當(dāng)冷卻器的長度為65 mm，入口溫度為298.15 K時，入口速度在0.002 m/s至0.01 m/s之間變化對放電過程中最高溫度和溫差的影響如圖6所示。在電池放電過程中，電池的最高溫度和溫差逐漸增加，當(dāng)入口流速為0.01 m/時，放電時間超過400 s后，電池的最高溫度和溫差均趨于平穩(wěn)。

當(dāng)入口速度為0.002 m/s時，放電結(jié)束時的最高溫度313.61 K，超過電池工作允許的極限值。入口速度增加為0.004 m/s后，放電結(jié)束時的最高溫度為311.12 K，下降了2.5 K。隨著入口流速的增加，電池放電時的最高溫度逐漸減小。當(dāng)入口速度為0.01 m/s時，最高溫度小于306 K。本文中電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用并聯(lián)式流動方案，電池放電過程中的溫差較小，隨入口流速變化，最大溫差小于3.0 K。當(dāng)入口流速從0.002 m/s增加至0.006 m/s時，電池放電結(jié)束最大溫差逐漸增大。隨著入口速度的繼續(xù)增加，電池的溫差再次減小。

圖6 不同入口速度對電池溫度變化的影響

鋁制品具有良好的導(dǎo)熱性能，電池的熱量通過冷卻器與冷卻水之間進(jìn)行熱交換，不同流速下，電池模組的溫度分布如圖7所示。入口處的電池溫度較低，沿著冷卻水的流動方向，電池的溫度逐漸增加。隨著入口流速增加，電池底部的溫度逐漸減小，使得電池最高溫度下降的同時，電池溫差減小。隨著入口速度的增加，電池模組的整體溫度逐漸降低。

2.2 入口溫度的影響

當(dāng)入口速度為0.004 m/s，冷卻器長度為65 mm時，隨著放電時間的增加，電池的最高溫度和最大溫差逐漸增加，在放電結(jié)束時達(dá)到最大值，如圖8所示。隨著入口溫度的增加，電池的最高溫度逐漸增加，但是對于溫差的變化基本沒有影響。值得注意的是，不同入口溫度時的電池最高溫度隨時間的變化曲線基本平行，增加或減小量與入口溫度的變化量基本相同。此外，改變?nèi)肟跍囟葘τ跍p小溫差基本沒有作用。

2.3 冷卻器長度的影響

當(dāng)入口速度為0.004 m/s，入口溫度為298.15 K時，改變冷卻器長度對電池模組的溫度變化情況如圖9所示。隨著冷卻器長度減小，最高溫度和溫差均有明顯的變化。當(dāng)L從65 mm減小到55 mm時，最高溫度增大了0.12 K，但是溫差減小了0.71 K。隨著L從55 mm減小到45 mm時，最大上升了1.30 K，但是溫差減小了1.04 K。考慮到減小冷卻器的長度，可以減輕電池模組的重量，因此當(dāng)L=55 mm時，其性價(jià)比最高。

圖9 不同冷卻器長度對電池最高溫度（a）和溫差（b）變化的影響

不同冷卻器長度對電池模組溫度分布的影響如圖10所示。電池與冷卻器接觸區(qū)域的溫度明顯低于未接觸區(qū)域。由于電池的導(dǎo)熱性較差，距離冷卻越遠(yuǎn)，電池與冷卻器的熱交換作用越弱，從而使得熱量積累，導(dǎo)致溫度升高。適當(dāng)?shù)販p少冷卻器長度，可以增加冷卻器底部與電池的熱交換，從而減小電池的最高溫度和溫差。但是，冷卻器長度過小時，將嚴(yán)重削弱冷卻器的冷卻性能。

圖10 冷卻長度不同時電池的溫度分布云圖

結(jié)論

本文基于CFD方法，提出一種新型的基于液冷的圓柱鋰離子電池冷卻器，探討了不同入口速度，入口溫度和冷卻器長度的影響對電池溫度變化的影響。

（1）隨著入口速度的增加，電池模組的最高溫度和溫差均逐漸下降，其中最大溫差小于3.0 K。入口速度為0.004 m/s時，放電結(jié)束時的最高溫度為311.12 K；

（2）減小入口溫度，可以有效降低最高溫度，但是對于電池模組的溫差影響很小。不同入口溫度時的電池最高溫度隨時間的變化曲線基本平行，增加或減小量與入口溫度的變化量基本相同；

（3）隨著冷卻器長度減小，最高溫度和溫差均有明顯的變化。當(dāng)L從65 mm減小到55 mm時，最高溫度增大了0.12 K，但是溫差減小了0.71 K。考慮到重量變化，當(dāng)L=55 mm時，冷卻器性價(jià)比最高。

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Study on Performance of Cylindrical Lithium-Ion Battery Cooler Based on Liquid Cooling

WANG Bin-bin, HU Xv-zhao

(School of Mechanical Engineering, Chaohu University, Chaohu Anhui 238000, China)

A new type of cylindrical lithium-ion battery cooler based on the extrusion molding process is proposed in the paper. The effects of different liquid flow rates, cooler length and ambient temperature on the temperature change of the battery module are studied by CFD simulation. As the inlet velocity increases, the maximum temperature and temperature difference of the battery module gradually decrease, and the maximum temperature difference is less than 3.0K. When the inlet velocity is 0.004m/s, the maximum temperature at the end of the discharge is 311.12K. Meanwhile, reducing the inlet temperature can effectively reduce the maximum temperature, and the effect on the temperature difference of the battery module is negligible. As the length of the cooler decreases, the maximum temperature and temperature difference both change significantly. Among them, when L=55mm, its cost performance is the highest. The research in the paper can provide technical reference for the design of battery thermal management scheme.

lithium ion battery; liquid cooling; cooler; simulation

2020-06-09

巢湖學(xué)院校級一般項(xiàng)目（XLY-201909）

汪繽繽（1991—），女，黃山歙縣人，助教，碩士，研究方向：組織性能及流體動力學(xué)。

U469.72

A

2095-9249（2020）03-0038-06

〔責(zé)任編校：范延琛〕