鋰離子電池模塊油冷散熱特性數(shù)值研究

裴 波，汪陽(yáng)卿，楊棟梁，孔 楠，胡浩源，盧 鑫，秦 江

應(yīng)用研究

鋰離子電池模塊油冷散熱特性數(shù)值研究

裴 波1，汪陽(yáng)卿1，楊棟梁1，孔 楠1，胡浩源1，盧 鑫2，秦 江2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

本文對(duì)電池模塊浸沒式油冷散熱方案進(jìn)行了仿真研究，分析電池成組后大容量電池模塊的散熱特性，獲得了導(dǎo)熱阻燃硅油流量參數(shù)對(duì)大容量電池組散熱的影響規(guī)律。研究表明， 浸沒式油冷能有效控制大容量電池模塊的溫升； 改變流量可以提升換熱效果，但對(duì)電池模塊的最高溫度及溫差控制具有局限性，由于電池箱存在流動(dòng)死區(qū)，換熱效果更易受到硅油熱導(dǎo)率的制約。

鋰離子電池模塊 浸沒式油冷 電池?zé)峁芾?/p>

0 引言

鋰離子電池由于比能量大、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)交通工具中被廣泛應(yīng)用，然而鋰離子電池組在極端濫用情況下的熱安全問題也時(shí)有發(fā)生[1]。溫度是影響電芯安全性的顯著因素，電池溫度過高容易造成電芯過熱使電芯性能下降，更嚴(yán)重的是引發(fā)熱失控，造成燃燒或爆炸等后果。電池組朝著多電芯大容量的方向發(fā)展，需要對(duì)阻燃防爆進(jìn)行熱管理[2]。

硅油浸沒式油冷是一種直接接觸式散熱方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有阻燃防爆特性，其在電池組散熱方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐漸被研究人員重視[3]。羅卜爾思[4]搭建了液冷試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，研究發(fā)現(xiàn)采用變壓器油直接接觸冷卻的方法效果明顯，變壓器油可作為電池組液冷方案的優(yōu)良冷卻介質(zhì)。汪陽(yáng)卿[5]對(duì)比分析了空氣冷卻與導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案的散熱特性，油冷方案能夠明顯降低電池模塊的最高溫度使溫差得到有效的控制。顏藝[6]設(shè)計(jì)了一種液體直接接觸電池的熱管理系統(tǒng)，并提出了不同形式的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。羅玉濤[7]針對(duì)容量37A·h的鋰離子電池組提出以變壓器油為冷卻介質(zhì)的直接接觸液體冷卻方案，優(yōu)選出3進(jìn)1出的流道結(jié)構(gòu)。朱小龍[8]提出兼顧冷卻和預(yù)熱的液體浸沒式熱管理方案與典型的基于熱管方案比較，浸沒式系統(tǒng)溫控性能較優(yōu)。彭影[9]將油冷方案與環(huán)境風(fēng)或冷卻空調(diào)風(fēng)進(jìn)行對(duì)比，以導(dǎo)熱油介質(zhì)的液體強(qiáng)制對(duì)流冷卻對(duì)各工作狀態(tài)下的電池組均具有較穩(wěn)定的冷卻效果。

目前對(duì)多電芯大容量電池組油冷方案的散熱研究較少，電池組大規(guī)?；笃錈崽匦詫⒆兊酶訌?fù)雜，對(duì)熱管理的要求也更加嚴(yán)苛，本文對(duì)多電芯電池模塊油冷散熱方案進(jìn)行了三維模擬，得到了電池組的溫度分布特性以及阻燃油的流量影響規(guī)律，對(duì)電池組的熱安全設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

本文選取的整機(jī)模塊由8層構(gòu)成，每層電芯兩兩呈六邊形排列，單體電芯為某型鋰離子電芯，整機(jī)電池箱設(shè)有進(jìn)油管和出油管，使硅油流入電池箱與電池模塊換熱后流出從而將熱量帶出電池箱，為了研究方便，對(duì)電池組進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略連接材料，圖1所示。

圖1 電池模塊簡(jiǎn)化物理模型

1.2 數(shù)值模型

對(duì)流體域的控制方程：

質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

能量守恒方程:

由于硅油粘度較大，計(jì)算工況下的流速較低，雷諾數(shù)很小達(dá)不到湍流條件，經(jīng)過比較采用了層流模型。

帶有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱方程

1.3 邊界條件及求解設(shè)置

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)在0.2 C工況下電芯單體生熱功率為0.0283 W，假設(shè)電芯發(fā)熱穩(wěn)定，以體熱源形式加載到固體域材料中，模擬0.2 C工況下電芯的發(fā)熱，附加件總發(fā)熱功率82.28 W，以面熱源形式簡(jiǎn)化加載到y(tǒng)方向流體與箱體接觸的壁面上。

本文采用質(zhì)量流量入口，入口油溫為25 ℃，設(shè)置了5、10、20、40 g/s不同的工況做對(duì)比；采用壓力出口，出口壓力為一個(gè)大氣壓；電芯與硅油接觸面設(shè)為Couple耦合面，除熱源壁面外其余壁面設(shè)為絕熱邊界。

本文采用壓力基求解器對(duì)電池組冷卻模塊進(jìn)行0.2 C工況瞬態(tài)計(jì)算，利用SIMPLEC格式進(jìn)行求解。判斷收斂標(biāo)準(zhǔn)為每一時(shí)間步內(nèi)監(jiān)測(cè)物理量不再隨迭代數(shù)發(fā)生變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 油冷卻方案整機(jī)散熱特性分析

圖2為油冷卻方案下不同入口流量整機(jī)模塊最高溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看到，隨著充電時(shí)間的進(jìn)行，電芯持續(xù)放熱，溫度逐漸升高，因?yàn)榱黧w的冷卻作用，電芯溫度上升趨勢(shì)逐漸變緩，最終整機(jī)模塊最高溫度分別為36.95 ℃（5 g/s）、34.49℃（10 g/s）、33.81℃（20 g/s）、33.42℃（40 g/s）。對(duì)比不同入口流量可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量從5 g/s上升到10 g/s時(shí)，模塊最高溫度曲線明顯下降，這是因?yàn)榱髁康脑黾邮沽魉僭黾?，從而使?duì)流換熱效果有了明顯提升，但是當(dāng)入口流量進(jìn)一步增加，最高溫度降低的不再明顯，20 g/s與40 g/s最高溫度曲線非常接近，說(shuō)明在當(dāng)前電池箱結(jié)構(gòu)下入口流量對(duì)模塊最高溫度的影響已經(jīng)達(dá)到極限，單純依靠增大入口流量來(lái)控制模塊最高溫度的冷卻方式具有局限性。

圖2 整機(jī)模塊最高溫度隨時(shí)間變化曲線

圖3為油冷卻方案下不同入口流量整機(jī)模塊最低溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看到，變化規(guī)律與模塊最高溫度變化規(guī)律類似，都是隨著充電時(shí)間的進(jìn)行，電芯持續(xù)放熱，溫度逐漸升高，因?yàn)榱黧w的冷卻作用，電芯溫度上升趨勢(shì)逐漸變緩，最終整機(jī)模塊最低溫度分別為27.74℃（5 g/s）、27.17℃（10 g/s）、26.66℃（20 g/s）、26.2℃（40 g/s）；對(duì)比不同入口流量可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量不斷增加時(shí)，模塊最低溫度曲線明顯下降，這是因?yàn)榱髁康脑黾邮沽魉僭黾?，從而使?duì)流換熱效果有了明顯提升。與最高溫度變化規(guī)律不同的是，在給定的流量變化內(nèi)，模塊最低溫度始終是隨著流量的增加而顯著減小的。這說(shuō)明在當(dāng)前電池箱結(jié)構(gòu)下，入口流量對(duì)模塊最低溫度的影響并未達(dá)到極限，這與模塊最高溫度變化規(guī)律不同。

圖4為油冷卻方案下不同入口流量整機(jī)模塊溫差隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看到，隨著充電時(shí)間的進(jìn)行，電芯持續(xù)放熱，溫差逐漸升高，因?yàn)榱黧w的冷卻作用，模塊溫差上升趨勢(shì)逐漸變緩，最終整機(jī)模塊溫差分別為9.21 ℃（5 g/s）、7.32 ℃（10 g/s）、7.15℃（20 g/s）、7.22℃（40 g/s）；對(duì)比不同入口流量可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量從5 g/s上升到10 g/s時(shí)，模塊溫差曲線明顯下降，但是當(dāng)入口流量進(jìn)一步增加，不同流量的溫差曲線區(qū)別不再明顯，甚至出現(xiàn)了增大的趨勢(shì)。根據(jù)前文對(duì)模塊最高溫度和最小溫度的分析，出現(xiàn)這一規(guī)律不難理解，入口流量增加時(shí)，模塊最低溫度隨之明顯下降，而模塊最高溫度卻沒有發(fā)生明顯的下降，因此兩者的差值在入口流量增加過大時(shí)有增大的趨勢(shì)，說(shuō)明在當(dāng)前電池箱結(jié)構(gòu)下單純依靠增大入口流量來(lái)控制模塊溫差的冷卻方式具有局限性。

圖3 整機(jī)模塊最低溫度隨時(shí)間變化曲線

圖4 整機(jī)模塊溫差隨時(shí)間變化曲線

2.2 模塊內(nèi)部溫度分布規(guī)律分析

以入口流量20 g/s充電結(jié)束時(shí)刻為例，截取模塊內(nèi)部電芯縱切面（圖5）、橫切面（圖6）以及電芯整體的溫度云圖（圖7）進(jìn)行分析。模塊高溫區(qū)出現(xiàn)在模塊右側(cè)（x軸正方向末端），這是由硅油流動(dòng)方向決定的，硅油整體呈現(xiàn)出從左下角向右上角流動(dòng)的趨勢(shì)，沿硅油流動(dòng)方向，隨著換熱的進(jìn)行，硅油溫度不斷升高，造成換熱能力降低，因此模塊右側(cè)的電芯溫度也相對(duì)較高，值得注意的是右下角由于離出口較遠(yuǎn)，存在流動(dòng)死區(qū)，也出現(xiàn)了高溫區(qū)；模塊最低溫度出現(xiàn)在近入口處，這部分電芯與入口處的冷流體直接接觸，換熱效果最好，溫度幾乎沒有升高；沿著x軸方向看，電芯溫度逐漸升高；沿著y軸方向看，電芯溫度出現(xiàn)中間高兩側(cè)低的分布，這證明了流體沒有沿y軸方向流過電芯陣列內(nèi)部，硅油在電芯陣列中沒有發(fā)生有效流通幾乎是靜止的，主要依靠導(dǎo)熱作用將熱量傳導(dǎo)到模塊兩側(cè)，油從入口進(jìn)入電池箱，途中沒有流過電芯陣列內(nèi)部，只是與電芯陣列最外側(cè)的表層電芯接觸后就從出口流出了。因此在當(dāng)前電池箱結(jié)構(gòu)下流量對(duì)模塊溫度的影響具有局限性，更容易受到靜態(tài)硅油熱導(dǎo)率的制約。

圖5 33.80 模塊內(nèi)部電芯縱切面溫度云圖

圖6 模塊內(nèi)部電芯橫切面溫度云圖

圖7 模塊內(nèi)部電芯橫切面溫度云圖

3 結(jié)論

本文建立了多電芯電池模塊浸沒式導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案三維數(shù)值模型，研究了不同入口流量下整機(jī)模塊的流動(dòng)散熱特性以及流量對(duì)溫度控制的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）浸沒式油冷方案對(duì)多電芯電池模塊具有良好的散熱效果，能夠?qū)㈦姵刈罡邷囟瓤刂圃诶硐霚囟纫詢?nèi)；

2）由于當(dāng)前電池箱結(jié)構(gòu)存在流動(dòng)死區(qū)，增大流量不能使最高溫度得到更有效的降低，流量對(duì)模塊最高溫度和溫差的影響具有局限性，換熱效果更容易受到硅油熱導(dǎo)率的制約；

3）如何解決溫度的均勻性是電池模塊多電芯大容量化后面臨的難題。

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Numerical Study on Heat Dissipation Characteristics of Silicone Oil-cooled Lithium-ion Battery Module

Pei Bo1, Wang Yangqing1, Yang Dongliang1, Kong Nan1, Hu Haoyuan1, Lu Xin2, Qin Jiang2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

TM912

A

1003-4862（2021）02-0011-04

2020-09-04

裴波(1985-)，男，高工。研究方向：船舶化學(xué)電源設(shè)計(jì)與開發(fā)。E-mail: peibohfy@163.com