液冷和冷媒直冷動力電池包冷卻性能數(shù)值分析

曾俊雄，熊 飛，朱林培，鄧達泰，段德昊

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

隨著全球能源緊缺和環(huán)境污染等問題日益凸顯，人們開始不斷尋求可持續(xù)發(fā)展能源以解決這一難題。在這一背景下，近年來，新能源汽車在國內(nèi)外取得了快速發(fā)展。鋰離子動力電池具有高能量轉(zhuǎn)化效率、高能量密度、長循環(huán)壽命、低記憶效果等優(yōu)點，在純電動汽車、混合動力汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，環(huán)境溫度，以及電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量都會直接影響動力電池的性能、壽命和安全。因此，亟待開發(fā)出一種高效的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）以保證動力電池溫度在合理的范圍內(nèi)，從而減小動力電池的自身溫差。BTMS通常包含低溫加熱和高溫冷卻，在動力電池高溫冷卻方式中，通常包含風(fēng)冷、液冷、冷媒直冷、相變材料冷卻、熱管冷卻等冷卻方式[1]。在這些冷卻方式中，風(fēng)冷和液冷在當(dāng)前的純電動車和混動車型上得到了廣泛的應(yīng)用。

風(fēng)冷是動力電池最早采用的冷卻方式，在新能源汽車發(fā)展初期，動力電池能量密度相對較低，電池發(fā)熱量相對較小，風(fēng)冷能夠滿足動力電池的冷卻需求。隨著國家對動力電池提出高能量密度、長循環(huán)壽命以及高功率快充能力的發(fā)展目標(biāo)，傳統(tǒng)的風(fēng)冷逐漸難以滿足動力電池高發(fā)熱量的散熱需求。因此，動力電池冷卻方式逐漸向液冷和直冷等高性能冷卻方式轉(zhuǎn)變。液冷是充分利用乙二醇水溶液高導(dǎo)熱性以及高比熱容特性，通過水冷板將來自電芯的熱量帶走，從而達到冷卻電池的目的。WU等[2]研究了水冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)對電池冷卻性能的影響，結(jié)果表明，波浪形冷板結(jié)構(gòu)冷卻效果最好。JARRETT等[3]研究了回環(huán)式水冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻性能的影響。YUAN等[4]采用數(shù)值模擬的方法研究了U型水冷板不同進出口位置、管道直徑以及排布間距對冷卻性能的影響。HUO等[5]也采用數(shù)值模擬的方法，研究了直冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)以及流道流向、入口流速和環(huán)境溫度對冷卻性能的影響。XU等[6]研究了微流道冷板換熱系統(tǒng)對防范電池“熱失控”的作用效果。

冷媒直冷是充分利用空調(diào)系統(tǒng)中的制冷劑，將其引入電池蒸發(fā)器中以達到冷卻動力電池的目的。相對于比較成熟的液冷技術(shù)，冷媒直冷不僅具有更高的冷卻效率，而且可以顯著降低整車成本，是未來動力電池?zé)峁芾淼闹饕l(fā)展方向。然而，國內(nèi)外學(xué)者對動力電池冷媒直冷的冷卻性能研究相對較少[1]。2013年，BANDHAUER等[7]創(chuàng)造性地提出了采用制冷劑R134a作為動力電池冷板的冷卻介質(zhì)，充分利用制冷劑的相變潛熱，從而帶走電池的熱量。隨后，AN等[8]通過試驗研究了制冷劑氟醚的冷卻性能，結(jié)果表明，在電池充放電倍率為20C的條件下，電池溫度可以合理地控制在35 ℃以內(nèi)。由以上分析可知，動力電池冷媒直冷具有優(yōu)良的冷卻性能，但國內(nèi)外的相關(guān)研究還相對較少。因此，本文旨在通過數(shù)值模擬的方法，對比分析動力電池液冷和冷媒直冷的冷卻性能，可以為純電動/混動車型制定動力電池?zé)峁芾矸桨柑峁﹨⒖肌?/p>

1 幾何模型與數(shù)值計算方法

1.1 幾何模型與網(wǎng)格

為了對比分析純電車型動力電池包分別在采用液冷方式和冷媒直冷方式條件下的冷卻性能，本文將采用某純電車型動力電池包簡化模型進行計算。動力電池包由16個模組96個電芯串聯(lián)而成，幾何模型如圖1a所示， 電芯底部分別為導(dǎo)熱墊和動力電池水冷板。整個電池包電芯均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，水冷板以及冷卻流道采用多面體網(wǎng)格劃分方法，局部網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖1b所示。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，電池包最終網(wǎng)格數(shù)量為1 500萬個。

圖1 動力電池包幾何模型與網(wǎng)格

1.2 數(shù)值計算方法

動力電池包液冷方式是在電池冷板內(nèi)部通入冷卻液（乙二醇水溶液）以滿足動力電池的冷卻需求。液冷屬于管內(nèi)強制單相對流強化傳熱范疇，國內(nèi)外學(xué)者對動力電池包液冷方式進行了大量的研究，在數(shù)值模擬方法上已經(jīng)成熟，關(guān)于液冷數(shù)值計算方法以及相關(guān)控制方程（連續(xù)方程、動量方程、能量方程）詳見參考文獻[9]，本文不再贅述。

動力電池包冷媒直冷是一種新型高效的管內(nèi)強制對流沸騰傳熱冷卻技術(shù)，其冷卻結(jié)構(gòu)與液冷相似。從空調(diào)系統(tǒng)分配一定流量的冷媒，直接通入動力電池冷板中，充分利用冷媒的相變潛熱以及管內(nèi)強制對流方式達到冷卻動力電池的目的。目前，針對動力電池冷媒直冷技術(shù)的研究還相對較少。關(guān)于管內(nèi)沸騰強化傳熱數(shù)值模擬，ZHUAN等[10]采用VOF蒸發(fā)冷凝（Lee model）模型，數(shù)值模擬了微通道內(nèi)過冷沸騰流動與傳熱過程中氣泡的演變特性。趙然等[11]采用VOF多相流模型，模擬制冷工質(zhì)R32在微細(xì)通道內(nèi)過冷沸騰強化傳熱特性以及氣泡運動規(guī)律。谷芳等[12]同樣采用VOF多相流模型，模擬研究T型管道和鑄鋁缸蓋內(nèi)過冷沸騰傳熱問題，結(jié)果表明，基于VOF模型的過冷沸騰傳熱模型具有較強的實用性，能夠預(yù)測較寬范圍內(nèi)過冷沸騰傳熱現(xiàn)象。因此，本文同樣采用VOF多相流沸騰傳熱模型預(yù)測動力電池冷媒直冷過冷沸騰傳熱現(xiàn)象，相關(guān)模型如下。

1.2.1 控制方程

VOF多相流模型包含以下方程：

連續(xù)方程

式中：αl為液相體積分?jǐn)?shù)；αv為氣相體積分?jǐn)?shù)；u為速度矢量；S為液相蒸發(fā)/氣相冷凝產(chǎn)生的質(zhì)量源項；ρ為氣液混合密度；ρl為液相密度；ρv為氣相密度。

動量守恒方程

式中：I為單位張量；σF為體積表面張力動量源項；p為壓力。

能量守恒方程

式中：E為氣液兩相質(zhì)量平均動量；?λ為氣液體積平均導(dǎo)熱系數(shù)；Q為相變產(chǎn)生的能量源項。

固體與流體交界面上傳熱方程

1.2.2 相變模型

本文采用STAR-CCM+中Rohsenow[12]沸騰傳熱模型，該模型包含核態(tài)沸騰和強制對流傳熱。

式中：q為總傳熱量；qc為對流強化傳熱量；hc為對流換熱系數(shù)；qb為沸騰傳熱量；Cpl為液相比熱容；r為相變潛熱；為液相表面張力系數(shù)。

1.3 邊界條件

本文以某純電車型在兩種常見典型運行工況（高速超速和驅(qū)動耐久）為例，采用數(shù)值模擬方法對比分析動力電池包液冷方式和冷媒直冷方式的冷卻性能。為對比這兩種冷卻方式的冷卻性能，在同一運行工況條件下（高速超速或驅(qū)動耐久），動力電池發(fā)熱源保持一致。根據(jù)Bernardi電池生成熱理論[10]，某純電車型在高速超速和驅(qū)動耐久工況條件下，動力電池產(chǎn)熱量隨時間變化如圖2所示。

圖2 高速超速和驅(qū)動耐久工況下動力電池包生成熱

對于動力電池包液冷方式，冷卻液為50%水+50%乙二醇水溶液，電池水冷板進口給定流量10 L/min，水冷板進口冷卻液溫度為25 ℃，出口給定壓力出口邊界。對于動力電池包冷媒直冷方式，通常采用動力電池蒸發(fā)器與車用空調(diào)蒸發(fā)器并聯(lián)的方式。因此，冷媒直冷邊界條件與車用空調(diào)系統(tǒng)緊密相關(guān)。為便于研究，選取通入電池蒸發(fā)器（冷板）質(zhì)量流量為100 kg/h，進口溫度為12 ℃，進口壓力為0.473 MPa，冷媒對應(yīng)飽和溫度為14 ℃，出口給定壓力出口邊界。值得注意的是，所選取的液冷邊界條件是純電車型電池包液冷系統(tǒng)中的常用工況，冷媒邊界條件是純電車型冷媒直冷系統(tǒng)在實際運行工況中具有代表性的某一典型工況。在本文所研究的工況條件下，動力電池液冷方式冷卻液以及冷媒直冷方式冷媒工質(zhì)屬性見表1。

表1 工質(zhì)物性參數(shù)表

1.4 數(shù)值計算方法試驗驗證

為驗證本文所采用的數(shù)值計算方法在模擬電池冷板內(nèi)部冷媒沸騰強化傳熱方面的可靠性，以某騾車試驗臺架電池靜置冷卻試驗數(shù)據(jù)進行驗證。

本試驗在整車環(huán)境模擬艙內(nèi)進行，環(huán)境模擬溫度為40（±2）℃，濕度為40%，光照強度為950 W/m2。首先將整車擱置在環(huán)境模擬倉內(nèi)靜置2 h，使電池溫度上升至環(huán)境溫度。動力電池冷媒直冷熱管理系統(tǒng)由乘員艙空調(diào)系統(tǒng)和動力電池冷卻系統(tǒng)并聯(lián)組成。在動力電池靜置冷卻試驗中，動力電池不輸出功率，即，可忽略電池自身發(fā)熱。同時，整個試驗過程關(guān)閉乘員艙空調(diào)系統(tǒng)，以考察動力電池冷媒直冷冷卻性能。直冷系統(tǒng)中進入動力電池冷板的冷媒流量計算如下：

式中：vη為空調(diào)壓縮機容積效率；ρsuc為壓縮機吸氣密度，kg/m3；N為壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min；Ddisp為壓縮機排量，m3。進入電池冷板的壓力、溫度壓縮機轉(zhuǎn)速均從CAN總線上讀取。

圖3給出了電池最高溫度數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，由圖可知，數(shù)值模擬電池最高溫度隨時間變化趨勢與實測值保持一致，整個試驗過程，數(shù)值預(yù)測值與試驗值的最大誤差為11%。值得注意的是，整個試驗過程由于實車熱管理策略限制，當(dāng)電池溫度低于32 ℃時，直冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)關(guān)閉電池冷板回路電子膨脹閥，此時，系統(tǒng)退出冷卻請求。

圖3 數(shù)值計算結(jié)果與試驗對比

2 數(shù)值計算結(jié)果與討論

2.1 高速超速工況

首先對比分析純電車在高速超速工況下動力電池包液冷和冷媒直冷的冷卻性能，這兩種冷卻方式電芯發(fā)熱量保持相同。圖4給出了高速超速工況下沿著電芯高度方向中截面溫度分布云圖，圖中的箭頭方向表示冷卻工質(zhì)（冷卻液和冷媒）在電池冷板內(nèi)部的流動方向。由圖可知，在液冷和冷媒直冷方式中，電芯中截面溫度分布規(guī)律保持一致，即，在電池冷板進口區(qū)域，電芯中截面上的溫度相對較低，隨著冷卻工質(zhì)流向下游，電芯中截面溫度逐漸升高。在冷板出口區(qū)域，溫度達到最高值。這主要是因為冷卻工質(zhì)在流向下游的過程中，其溫度逐漸升高，會降低傳熱效率，從而導(dǎo)致冷板下游以及出口區(qū)域電芯中截面溫度較高。其次，另一個現(xiàn)象是，在電芯中截面上，電芯外側(cè)（與外圍空氣接觸區(qū)域）相對于電芯內(nèi)側(cè)（電芯緊密布置區(qū)域）的溫度較低，這主要是由于靠近外側(cè)電芯表面與周圍環(huán)境存在自然對流換熱過程。從圖中還可以看出，液冷方式電芯中截面上的溫度顯著高于冷媒直冷方式，這表明冷媒直冷方式冷卻效果要好于液冷。圖5給出了高速超速工況在兩種冷卻方式下電芯中截面上最高溫度與最低溫度隨時間變化的過程。由圖可知，液冷和冷媒直冷方式電芯溫度均隨著時間增加而逐漸升高，這是由于高速超速工況下電池發(fā)熱量（圖2）逐漸升高。其次，電芯最高溫和最低溫在冷媒直冷方式下相比于液冷降低了4～5 ℃。在所研究的工況范圍內(nèi)，冷媒直冷方式電芯最大溫差為2.2 ℃，液冷方式電芯最大溫差為3.0 ℃。由以上分析可知，冷媒直冷方式相對于液冷方式，在相同的電芯發(fā)熱量條件下，可以顯著降低電芯溫度和電芯溫差。

圖4 高速超速工況電芯中截面上的溫度分布

圖5 高速超速工況液冷和冷媒直冷電芯中截面溫升曲線

圖6給出了高速超速工況下，液冷和冷媒直冷電池包的溫度分布（時間步最后時刻），由圖可知，兩種冷卻方式電芯頂部溫度分布相對比較均勻，但電芯側(cè)面存在一定溫度梯度，這主要是由于電芯在高度方向上導(dǎo)熱系數(shù)偏低。但是，冷媒直冷電芯頂部和電芯側(cè)面溫度明顯低于相應(yīng)的液冷方式，這進一步表明，冷媒直冷的冷卻效果顯著好于液冷。

圖6 高速超速工況液冷和直冷電池包的溫度分布

2.2 驅(qū)動耐久工況

圖7給出了在驅(qū)動耐久工況條件下液冷和冷媒直冷電芯中截面上的溫度分布，箭頭方向表示冷卻工質(zhì)流動方向，冷板采取四進二出的冷卻流動構(gòu)型。由圖可知，在冷板進口區(qū)域，電芯截面溫度相對較低，冷卻工質(zhì)沿著冷卻流道向下流動的過程中，電芯截面溫度逐漸升高，在冷板出口位置，電芯溫度達到最高值。以上變化規(guī)律與高速超速工況相似。在這兩種冷卻方式中，冷媒直冷方式電芯截面最高溫度比液冷方式降低了9℃。

圖7 驅(qū)動耐久工況電芯中截面上的溫度分布

圖8給出了驅(qū)動耐久工況在液冷和冷媒直冷兩種冷卻方式下，電芯中截面最高溫和最低溫隨時間的變化規(guī)律。由圖可知，隨著時間推移，兩種冷卻工況電芯中截面上的最低溫和最高溫呈鋸齒狀逐漸上升趨勢，這與驅(qū)動耐久工況電池發(fā)熱量呈周期性變化相關(guān)（圖2）。在驅(qū)動耐久工況下，液冷方式電芯中截面最高溫和最低溫分別達到52℃和48℃，而冷媒直冷方式電芯中截面最高溫和最低溫分別達到43.5℃和40.5℃，即，相對于采用液冷方式，采用冷媒直冷方式電芯溫度降低了15.6%～16.3%。同時，冷媒直冷方式電芯截面最大溫差（3℃）也小于液冷方式（4℃）。由以上分析可知，相比于液冷，采用冷媒直冷方式不僅可以有效降低電池溫度，還可以在一定程度上降低電池溫差，這充分體現(xiàn)了冷媒直冷優(yōu)越的冷卻性能。

圖8 驅(qū)動耐久工況液冷和冷媒直冷電芯中截面溫升曲線

圖9給出了驅(qū)動耐久工況液冷和冷媒直冷電池包的溫度場分布，由圖可知，這兩種冷卻方式下電芯溫度分布規(guī)律相似，但冷媒直冷方式不僅電芯溫度顯著低于液冷方式，在電芯溫差方面也展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。

圖9 驅(qū)動耐久工況液冷和冷媒直冷電池包溫度分布

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的研究方法，初步預(yù)測了某純電車型在常見運行工況（高速超速和驅(qū)動耐久）條件下動力電池包采用液冷和冷媒直冷方式的冷卻性能，主要結(jié)論如下：

（1） 在相同工況條件下（高速超速或驅(qū)動耐久），采用液冷和冷媒直冷方式動力電池包的溫度分布規(guī)律相似，但采用冷媒直冷方式的電池包溫度顯著低于液冷方式。在冷板進口區(qū)域，電芯截面溫度最低，沿著冷卻工質(zhì)的流動方向，電芯截面溫度會逐漸升高。

（2）對于高速超速工況，采用冷媒直冷方式的電芯溫度比液冷方式降低了約10%；對于驅(qū)動耐久工況，采用冷媒直冷方式的電芯溫度比液冷方式降低了約16%。冷媒直冷方式的電芯溫差也小于液冷。

（3）在相同運行工況條件下，動力電池包冷媒直冷的冷卻性能顯著優(yōu)于液冷方式，在保證動力電池包冷媒直冷系統(tǒng)的可靠性前提下，優(yōu)先推薦采用冷媒直冷方式。