磷酸鐵鋰電池組液冷方案數(shù)值研究 *

李世林，胡 芃，徐文軍

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 熱科學(xué)和能源工程系，安徽 合肥 230027； 2.合肥國軒高科動力能源有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

目前市場上電動汽車的電源主要為鋰離子電池組，相比于其他可充電電池，鋰離子電池具有能量密度高，循環(huán)壽命長，自放電率低等優(yōu)點。目前研究主要集中在高倍率充電過程中電池組的散熱優(yōu)化[1-2]，文本針對高倍率放電過程的電池組溫升問題進行研究，確保電池組在合適的工作溫度下運行[3]。筆者基于COMSOL仿真軟件，建立電化學(xué)-熱耦合模型以獲得電池在不同放電倍率下的產(chǎn)熱量，并通過多物理場模塊求解電池組與冷板之間的耦合換熱，討論了冷卻液入口流速、入口流速和通道截面形狀對電池組冷卻效果的影響，實現(xiàn)電池組液冷散熱最優(yōu)的設(shè)計方案，達(dá)到提高電動汽車使用安全性能的目的。

1 單體電池模型構(gòu)建

1.1 電池模型

圖1為38120鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型示意圖。電化學(xué)-熱耦合模型原理為：電化學(xué)模型計算放電過程中的產(chǎn)熱Qh輸入到熱模型中，熱模型計算電池與環(huán)境間的換熱情況并將電池平均溫度反饋到電化學(xué)模型中。其中電化學(xué)模型基于質(zhì)量守恒、電化學(xué)動力學(xué)、電荷守恒和能量守恒構(gòu)建。電池正極活性材料為(LiFePO4)，負(fù)極活性材料為石墨(C6)，正負(fù)極集流板材料分別為鋁和銅。

圖1 電化學(xué)熱耦合模型示意圖

1.2 模型驗證

為驗證模型的正確性，對放電速率為0.3C、0.5C、1C和2C的單個電池進行仿真。38120鋰離子電池的電池容量為10 Ah，標(biāo)稱電壓為3.2 V，環(huán)境溫度為298.15 K。圖2比較了模擬結(jié)果與實驗結(jié)果[4]中電池的表面平均溫度隨放電深度的變化。

從圖2中可以看出溫度隨著放電深度的增加而不斷升高，并且在放電結(jié)束時有急劇上升趨勢。對比模擬結(jié)果與仿真結(jié)果，模擬曲線與實驗曲線之間趨勢基本吻合，在2C倍率放電時，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果最大溫差為0.737 K，低于實際溫度0.24%，在接受范圍內(nèi)，驗證了當(dāng)前模型的可靠性。

圖2 電池溫度對比

2 電池組物理模型構(gòu)建

2.1 電池組與冷板物理模型

文中所考慮的電池組具有6個38120鋰離子電池和1個帶有蛇形通道的冷板，冷卻工質(zhì)為水，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中冷板材質(zhì)為鋁，長寬高分別為L=256 mm，w=46 mm，h=5 mm。冷板中通道在寬度方向位置居中，截面尺寸分別為a=5 mm，b=3 mm。電池與冷板之間均勻涂有厚度為2 mm的導(dǎo)熱硅膠，其熱導(dǎo)率為2.7 W/(m·K)[5]。

圖3 電池組與冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分

單體電池的實驗和仿真結(jié)果說明，在2C放電倍率下，電池放電完畢時溫度會超過安全運行溫度40 ℃。為探究冷板對電池的冷卻效果，將耦合模型的邊界條件設(shè)置為：電池放電倍率為2C，環(huán)境溫度為298.15 K，電池組與外界換熱系數(shù)為1 W/(K·m2)。通道入口處水溫為298.15 K，流速為0.1 m/s。根據(jù)通道截面的水力直徑算出雷諾數(shù)為487，選用層流模型計算流場。通道內(nèi)壁設(shè)置為無滑移邊界條件，冷板其余表面設(shè)置為絕熱邊界條件。為驗證網(wǎng)格獨立性，對比不同網(wǎng)格單元大小下電池組最高溫度的模擬結(jié)果，如圖4所示，在網(wǎng)格數(shù)量從97 813加密至309 628時，模擬結(jié)果差異為0.09 K(從308.92 K變?yōu)?09.01 K)，偏差為0.03%，可以認(rèn)為消除了網(wǎng)格依賴性。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

3 電池組仿真模擬分析

在入口溫度為298.15 K，入口流速為0.1 m/s，通道截面設(shè)計為3 mm×5 mm矩形時，電池組溫度場如圖5所示。電池組最高溫度為308.92 K，組內(nèi)最大溫差為4.04 K。通道內(nèi)流體溫度上升了3.06 K。

圖5 電池組溫度場云圖

3.1 冷卻液入口溫度對溫度場的影響

控制冷卻液的入口流速和通道截面不變，電池組在入口溫度分別為298.15 K、300.15 K、302.15 K、304.15 K、306.15 K和308.15K時組內(nèi)最高溫度和最大溫差如圖6所示。

圖6 入口溫度對溫度場的影響

結(jié)果顯示隨著入口溫度的升高，組內(nèi)最高溫度會不斷升高，但組內(nèi)溫差有下降趨勢。在6種入口溫度設(shè)置下，組內(nèi)電池溫差最高為4.04 K，最低為2.40 K，均能控制在5 K以下。在306.15 K和308.15 K時，最高溫度分別為313.14 K和314.80 K，不能較好保證電池組在最佳工作環(huán)境下運行。

3.2 冷卻液入口流速對溫度場的影響

控制冷卻液的入口溫度和通道截面不變，分別設(shè)置入口流速為0.05 m/s、0.1 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s和0.25 m/s。圖7為在不同流速下，組內(nèi)的最高溫度和最大溫差。隨著入口流速的增加，電池組最高溫度逐漸下降，組內(nèi)溫差有先升高再下降的趨勢。當(dāng)入口流速超過0.2 m/s時，再增加流速大小對電池組最高溫度和組內(nèi)溫差的冷卻效果顯著下降，僅降低0.01 K。

圖7 入口流速對溫度場的影響

3.3 截面形狀對溫度場的影響

控制冷卻液的入口溫度不變，研究不同截面形狀對電池組冷卻效果的影響。如圖8所示。

圖8 截面形狀對溫度場的影響

保持截面寬度b為3 mm不變，依次改變截面長度a為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm和7 mm。圖8(a)顯示了在入口流速為0.1 m/s時，組內(nèi)的最高溫度和最大溫差。在控制入口流速時，隨著通道截面長度的增加，組內(nèi)最高溫度下降，組內(nèi)溫差先升后降。截面長度增加需要更大的流率從而帶來更大的功耗，且當(dāng)截面長度超過6 mm時，冷卻效果與截面長度關(guān)系很小，由結(jié)果可知冷卻效果性價比最高的截面設(shè)計為3 mm×6 mm。圖8(b)顯示了入口流率為1.5×10-6m3/s時，組內(nèi)的最高溫度和最大溫差。隨著截面長度的增加，組內(nèi)最高溫度和溫差都有先增后減趨勢。冷卻效果最差的截面設(shè)計為3 mm×4 mm，此時組內(nèi)最高溫度和溫差都達(dá)到最高，分別為308.94 K和4.07 K。冷卻效果最好的截面設(shè)計為3 mm×7 mm。當(dāng)截面長度超過6 mm時，冷卻效果的提升開始減緩。

4 結(jié) 論

構(gòu)建了38120磷酸鐵鋰電池單體模型，設(shè)計了具有蛇形通道的冷板。分析了冷板冷卻液入口速度、入口溫度和通道截面形狀對高倍率放電(2C)電池組冷卻效果的影響，得到將電池組內(nèi)溫度和溫差控制在合適工作溫度下運行的最優(yōu)冷板設(shè)計方案，為電池組液冷結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供了基礎(chǔ)：

(1) 相同邊界條件下，冷卻液入口溫度越低，組內(nèi)最高溫度越低，組內(nèi)溫差越大，當(dāng)入口溫度高于306.15 K時，不能滿足冷卻要求(組內(nèi)最高溫度低于40 ℃)；冷卻液入口流速越高時，組內(nèi)最高溫度越低，且冷卻液在通道里的溫升降低。

(2) 在入口流速不變時，通道截面越大電池組最高溫度越低，最佳截面設(shè)計為3 mm×6 mm；在入口流率不變時，隨通道截面的增大，冷卻效果先增后減，但截面增大到一定程度時，冷卻效果的提升會減弱，最佳截面設(shè)計為3 mm×7 mm。