基于液冷的鋰離子動(dòng)力電池散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉霏霏　袁康　李駿　洪顯華　龔陽

摘? ?要：針對鋰離子電池單體成組后溫度場的非均勻性導(dǎo)致的熱不一致性問題，以及高溫下電池單體間的熱交互引發(fā)的熱安全性問題，采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，基于鋰離子電池生-傳熱機(jī)理，設(shè)計(jì)了電池單體單獨(dú)成組、電池單體之間夾隔泡沫棉、電池模組底部布置液冷板3種遞進(jìn)式散熱方案，并對液冷板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì). 采用有限元軟件STAR-CCM+，仿真分析了3種方案下電池模組在不同放電倍率時(shí)的溫度分布. 結(jié)果表明：增加泡沫棉可減少電池間的熱交互，進(jìn)而提高電池單體間的熱均衡性. 在結(jié)合泡沫棉、導(dǎo)熱板以及優(yōu)化后（采用液冷管道串-并聯(lián)組合方式）的液冷系統(tǒng)散熱條件下，電池模組以2C倍率放電時(shí)最高溫度為35.08 ℃，最大溫差僅為4.85 ℃. 研究結(jié)果可為電池?zé)峁芾砩嵯到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;液冷;散熱;STAR-CCM+;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Optimal Design of Heat Dissipation Structure of

Lithium-ion Power Batteries Based on Liquid Cooling

LIU Feifei YUAN Kang LI Jun HONG Xianhua GONG Yang

（School of Mechatronics and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Abstract：Aiming at solving the thermal inconsistency problem caused by non-uniformity of temperature field after lithium-ion battery cells are grouped，and the thermal safety problem caused by the thermal interaction between the battery cells at high temperature. The combined method with simulation and test is adopted. Three progressive heat dissipation schemes are designed based on the heat generation-transfer mechanism of lithium-ion batteries. including individual battery cells in groups，foam cotton between the battery cells，and liquid cooling plate arranged at the bottom of the battery module respectively. Also the liquid cooling plate is optimized. The finite element software STAR-CCM+ is used to simulate the temperature distribution of the battery modules at different discharge rates for the three schemes. The results show that the increase of foam cotton can reduce the thermal interaction between the batteries，thereby improving the thermal uniformity between the battery cells. Under the heat dissipation condition of the combination with foam cotton，heat conducting plate and optimized（using liquid cooled pipeline series parallel combination） liquid cooling system，the maximum temperature of the battery module is 35.08 ℃ at 2C discharge rate，and the maximum temperature difference is only 4.85 ℃. The research results can provide a theoretical basis for the structure design of cooling system for battery thermal management.

Key words：lithium-ion batteries;liquid cooling;heat dissipation;STAR-CCM+;structural optimization

純電動(dòng)汽車未來是人類的主流交通工具之一，動(dòng)力電池是其唯一的動(dòng)力源[1]. 而溫度是制約動(dòng)力電池性能的最關(guān)鍵因素之一，其中最高溫度和溫度一致性左右著電池壽命和續(xù)航里程[2]. 因此，動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯渴钱?dāng)下的主要熱點(diǎn)之一. 鋰離子動(dòng)力電池理想的工作溫度范圍在25 ～ 40 ℃，且電芯單體之間溫差不宜超過5 ℃[3]. 在電池的充放電過程中，模組本身由于化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果熱量不及時(shí)散出而積累在電芯內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致模組內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫升及單體電芯的溫度一致性較差，并由此會(huì)引發(fā)一系列后果，輕則影響電池的循環(huán)次數(shù)，重則導(dǎo)致電池?zé)崾Э厣踔烈l(fā)火災(zāi)[4]. Liu等人[5]的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，選取一個(gè)鋰離子電池，并且使用NCM523作為該電池的正極材料，在53 ℃的環(huán)境下做100次循環(huán)后發(fā)現(xiàn)，該電池的壽命比之正常的減少了52.8%. Guo等人[6]使用磷酸鐵鋰電池做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比發(fā)現(xiàn)，在30 ℃、50 ℃的環(huán)境下分別做50次的循環(huán)，處于50 ℃條件下的電池壽命及容量衰減得更多. 李龍飛[7]研究發(fā)現(xiàn)電池成組后以同倍率放電，2C時(shí)最高溫度比單體放電時(shí)高22.68 ℃;電芯溫差也達(dá)到了9.82 ℃，遠(yuǎn)高于單體放電時(shí)的4.98 ℃. Yuksel等人[8]研究了磷酸鐵鋰電池的溫度環(huán)境對壽命及容量的影響發(fā)現(xiàn)，采用強(qiáng)制風(fēng)冷進(jìn)行冷卻散熱后，電池的壽命能提升6%左右.

根據(jù)介質(zhì)的不同電池?zé)峁芾砜蓞^(qū)分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻等[9]. 但隨著電池功率性能的要求，單純的空氣冷卻已經(jīng)滿足不了高倍率充放電電池系統(tǒng)的散熱要求，盡管相變冷卻性能良好，但其頗高的成本限制了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用[10]. 因此，對于高充放電率、高產(chǎn)熱率的電池組而言，液體冷卻具有明顯的優(yōu)勢. 邱煥堯[11]設(shè)計(jì)了一種W形冷卻管道，布置在18 650圓形電池的周圍，模組以2C倍率放電，最高溫度控制在38 ℃，溫差控制在5 ℃之下;許時(shí)杰[12]設(shè)置了一種蛇形液冷管道，布置于方形電池模組的底部位置，模組以2C倍率放電，溫度最高為39.2 ℃，溫差為4.26 ℃;

電池液冷散熱研究主要是通過改變電池的排布結(jié)構(gòu)以及液冷管道的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱優(yōu)化等，然而對于電池成組后引發(fā)的熱交互對液冷散熱影響的研究尚較缺乏. 針對電池成組后的熱不一致性及熱安全性問題，設(shè)計(jì)了一種新的電池散熱結(jié)構(gòu)，即在電池單體之間夾隔泡沫棉，隔絕單體之間的熱交互，同時(shí)當(dāng)電池在行駛路況時(shí)起到一定的減震保護(hù)作用，并且在模組底部加入導(dǎo)熱墊和液冷板，加快散熱速度. 在單體電芯的內(nèi)阻測試實(shí)驗(yàn)及電芯放電溫升實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確建立了電池的熱仿真模型，并進(jìn)行模組遞進(jìn)式散熱設(shè)計(jì)：方案一采用自然散熱、方案二采用在電池單體之間夾隔泡沫棉，方案三采用液冷系統(tǒng)散熱并且對液冷散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì). 應(yīng)用STAR-CCM+軟件，對電池模組在不同放電倍率下的溫度場進(jìn)行熱仿真分析，對比電池的散熱效率，得出電池模組的最優(yōu)散熱方案.

1? ?數(shù)學(xué)模型的建立

1.1? ?鋰離子電池產(chǎn)熱機(jī)理

1.2? ?電芯熱物性參數(shù)獲取

1.2.1? ?電芯導(dǎo)熱系數(shù)

鋰離子動(dòng)力電池的內(nèi)部組成材料多種多樣，每種材料的導(dǎo)熱系數(shù)都不盡相同，并且其內(nèi)部材料的排布排列形式也有所差異. 因此鋰離子電池的導(dǎo)熱系數(shù)在各個(gè)方向是不同的，即具有各向異性. 本文采用串并聯(lián)熱阻的方式計(jì)算電池的導(dǎo)熱系數(shù)，假設(shè)電池的厚度方向?yàn)閆方向，寬度方向?yàn)閄方向，高度方向?yàn)閅方向[14].

1.2.2? ?電芯密度

1.2.3? ?電芯比熱容計(jì)算

1.3? ?鋰電池單體生熱速率模型及熱邊界條件建立

1.3.1? ?電池生熱速率模型

1.3.2? ?熱邊界條件

1.4? ?流場與溫度場協(xié)同原理介紹

2? ?電池內(nèi)阻的測定及溫升實(shí)驗(yàn)

2.1? ?電池內(nèi)阻測試

2.2? ?單體電芯溫升實(shí)驗(yàn)

3? ?電池建模仿真及驗(yàn)證

4? ?電池模組的建立及仿真分析

4.1? ?方案一 自然散熱模組設(shè)計(jì)及熱仿真分析

方案一采用10個(gè)電池單體并聯(lián)組成1個(gè)模組，編號(hào)從1至10. 如圖6所示. 圖7為方案一模組在自然對流條件下2C倍率放電結(jié)束時(shí)的溫度云圖. 圖8為方案一模組中電池單體在2C放電結(jié)束時(shí)的最高溫度、最低溫度和溫差數(shù)據(jù)圖.

由圖7和圖8可知，當(dāng)模組2C放電時(shí)，整個(gè)模組內(nèi)部的溫度明顯高于外壁面與極耳部分. 這是由于在對流的條件下，外壁面和極耳部分能充分的對流散熱，而模組內(nèi)部由于空氣流通的限制，產(chǎn)生的熱量很難通過對流換熱傳出，并且電池單體之間產(chǎn)生熱交互的作用，隨著熱量積累導(dǎo)致溫度升高. 2C放電時(shí)最高溫度達(dá)到了56.48 ℃，已經(jīng)超過了電池最合適的溫度范圍;且模組以2C倍率放電時(shí)，單體電池的溫差較大，達(dá)到了7 ℃以上，此時(shí)的單體電池溫度一致性較差. 若電池長期處于此溫度環(huán)境中，則會(huì)損傷電池的使用壽命，并且還會(huì)帶來一定的安全隱患. 故鋰離子電池單體不能直接大量成組使用，必須設(shè)計(jì)合理的散熱方案.

4.2? ?方案二 單體電池夾隔泡沫棉的模組設(shè)計(jì)及熱仿真分析

基于方案一可知電池成組時(shí)高溫區(qū)域主要集中在內(nèi)部，一部分原因是由于電池放電時(shí)產(chǎn)熱過多沒能及時(shí)的散出，另一部分原因在于電池與電池單體之間緊密接觸，它們之間發(fā)生的熱交互作用，因此溫度聚集在內(nèi)部區(qū)域. 為此進(jìn)行模組散熱設(shè)計(jì)的改進(jìn). 如圖9所示，方案二所使用的是在電芯單體之間夾隔泡沫棉，由于泡沫棉的導(dǎo)熱系數(shù)很低，這樣可以阻止電芯單體之間的熱傳遞，防止熱量堆積在一起.

由圖10和圖11可知，電池單體之間夾隔泡沫棉之后，由于泡沫棉的低導(dǎo)熱性，使得電池的熱量沿平行于泡沫棉方向傳導(dǎo)，從而達(dá)到熱均衡性，模組最大溫差為5.32 ℃. 由于單體成組放電，電池產(chǎn)熱量大，單純的自然冷卻以及采取熱源之間相互隔離的方法顯然還是不能將溫度控制在合適范圍內(nèi)，仍然處于50 ℃以上的高溫條件.

4.3? ?方案三 采用液冷系統(tǒng)的模組設(shè)計(jì)及熱仿真分析

針對方案二中模組在放電情況下溫度仍然較高的問題，本方案采用液冷系統(tǒng)給電池模組進(jìn)行強(qiáng)制散熱，液冷板流道結(jié)構(gòu)及電池模組如圖12所示，電池模組下面墊有導(dǎo)熱墊，在導(dǎo)熱墊下面裝有液冷板，液冷板采用鋁制，流量進(jìn)口采用質(zhì)量流量，設(shè)置為2 L/min.

圖13為方案三模組在2C放電結(jié)束時(shí)的溫度云圖、流道壓力分布圖以及速度矢量圖. 根據(jù)圖13（a）可知，采用了液冷系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制散熱后，模組高溫問題得到明顯的改善. 2C倍率放電時(shí)最高溫度為38.39 ℃，整個(gè)模組的高低溫區(qū)域較為明顯. 單體電池的溫差較大，這是因?yàn)榱鞯纼?nèi)冷卻液的分配不均勻所導(dǎo)致的. 從壓力分布圖13（b）也可以看出，右邊的壓力整體都是高于左邊的，壓降為192 Pa. 速度矢量圖13（c）中的速度分布也是右邊更加的均勻，左邊的流量分配得很少，導(dǎo)致散熱協(xié)同效果差. 從而造成了模組的溫度場差異化較明顯，右邊溫度低左邊溫度高的現(xiàn)象. 需要優(yōu)化液冷板的流道結(jié)構(gòu)來改變模組溫度分布不均勻，單體電池溫差較大這一現(xiàn)象.

針對模組溫度場高低溫區(qū)域化明顯、單體電池溫差較大現(xiàn)象，對液冷板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，液冷板結(jié)構(gòu)示意如圖14所示. 流道的數(shù)量減少，流量可以分配更加均勻. 圖15是方案三液冷板優(yōu)化后模組在2C放電結(jié)束時(shí)溫度、壓力以及速度云圖.

對比圖13和圖15可知：在對液冷板進(jìn)行優(yōu)化之后，可以看到模組兩側(cè)的溫度一致性得到了改善，且最高溫度下降了2.6 ℃. 但是管內(nèi)的壓降增加了823 Pa達(dá)到1 000 Pa以上，這對水泵以及管道的要求都比較高. 從速度矢量圖中可以看到，流速以及流量的分配也得到了較大改善，但是還是有不足之處.

為此，本文對液冷管道結(jié)構(gòu)再做優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)示意圖為圖16，流道結(jié)構(gòu)采取2并3串的串-并聯(lián)相結(jié)合的形式，能使流量在管道內(nèi)分配得更加均勻，散熱協(xié)同效果更優(yōu)，相反管道內(nèi)的各處壓力還能下降. 仿真結(jié)束后云圖如圖17所示.

圖17為方案三液冷板再優(yōu)化后模組中各單體在2C放電結(jié)束時(shí)的溫度云圖、壓力云圖以及速度矢量云圖. 圖18為單體電池最高溫、最低溫以及溫差圖. 結(jié)合圖17和18可知，模組的最高溫度以及溫度一致性都很好，流道內(nèi)的流量分配度較高，冷卻液最高流速達(dá)到了0.88 m/s，換熱效率更快，整體的壓降也僅為185 Pa. 模組以2.0 C倍率放電結(jié)束時(shí)，模組最高溫度35.08 ℃，并且最大溫差為4.85 ℃. 采用液冷板流道結(jié)構(gòu)為串、并相結(jié)合的液冷系統(tǒng)作為熱管理方案，可使鋰離子電池工作時(shí)溫度處于合理的范圍，且溫度一致性較好.

5? ?結(jié)? ?論

通過對單體電池實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式驗(yàn)證了模型建立的準(zhǔn)確性. 并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電池單體單獨(dú)成組（方案一）、電池單體之間夾隔泡沫棉（方案二）、電池模組底部布置液冷板（方案三）3種遞進(jìn)式散熱方案，并對液冷板進(jìn)行了兩次優(yōu)化設(shè)計(jì). 使用串-并聯(lián)相結(jié)合的液冷板流道結(jié)構(gòu)作為方案三的冷卻系統(tǒng)時(shí)，模組散熱效果最好，在2C放電結(jié)束時(shí)，單體模組的最高溫度為35.08 ℃，最大溫差為4.85 ℃. 相比于方案一，其散熱效率提升了37.9%;相比于方案二，其散熱效率提升了29.8%. 由此可見，采用優(yōu)化后的方案三，在電池單體間增加泡沫棉可減少電池間的熱交互，提高電池的熱均衡性，同時(shí)對電池在行駛路況時(shí)起到減震保護(hù)作用，提高電池的安全性能;再者，在電池模組底部增設(shè)導(dǎo)熱墊和液冷板，可加快電池的散熱速率，同時(shí)配合液冷板流道結(jié)構(gòu)為串-并聯(lián)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)有效的熱管理. 研究結(jié)果可為動(dòng)力電池?zé)峁芾砑捌渖峤Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考.

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