冷卻流道結(jié)構(gòu)對(duì)鋰電池組液冷性能的影響

汪龍飛，羅 燕，劉根戰(zhàn)，楊 俠*，王金山，曹吉胤

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430205；2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100

近幾年，隨著石油、煤炭等主要能源的枯竭以及人類生活環(huán)境日趨惡劣，新能源汽車將成為人們首選出行的工具。鋰電池是新能源電池動(dòng)力系統(tǒng)重要零部件，由于其容量大、比能高、體積重量輕、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)［1-2］。隨著對(duì)續(xù)航需求的增大，動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)電池散熱能力的要求也在增強(qiáng)，大倍率放電的情況下，電池溫度會(huì)驟增，電池組的降溫需要依賴更多更大的風(fēng)量，因此會(huì)發(fā)出巨大噪音［3］。當(dāng)流體在冷卻流道流動(dòng)時(shí)，流道壁面周圍的流體，越接近流道壁面，流體的流速越低，與流道壁面相接觸的流體，其基本是懸停狀態(tài)，此時(shí)流體與流道壁面之間相當(dāng)于只有熱傳導(dǎo)存在［4-5］。以水為例，常溫下水的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的幾十倍，而且水的比熱容是空氣的4倍，所以通常認(rèn)為液體流動(dòng)換熱比空氣換熱有更好的效果，更能滿足動(dòng)力電池的溫控需求［6］。

直接研究流體流速對(duì)電池組液冷性能影響的文獻(xiàn)較多，但研究流道結(jié)構(gòu)及截面形狀對(duì)鋰電池組液冷性能影響的文獻(xiàn)很少。安治國(guó)等［7］利用建模軟件建立了電池組模型，在Fluent軟件里對(duì)不同流道數(shù)量和不同流道截面的電池組數(shù)值模擬，結(jié)果表明：增加流道數(shù)量和選擇合適的流道截面都可降低電池組最高溫度；許超等［8］模擬了在空氣冷卻情況下，電池結(jié)構(gòu)最高溫度達(dá)到57℃，液體冷卻效果遠(yuǎn)高于空氣冷卻。Jarrett等［9］以雙極板內(nèi)流道位置、流道寬度為變量，優(yōu)選幾種不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用軟件Fluent對(duì)冷板的壓降與冷卻對(duì)象的平溫差進(jìn)行了模擬分析；邱翔等［10］為了提高電池冷卻效率，在流道內(nèi)增加肋條結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明，通過增加肋條結(jié)構(gòu)可有效地提升電池溫度的均勻性；鄧元望等［11］建立電池單體的物理和產(chǎn)熱模型，分析了在不同進(jìn)口流量時(shí)電池組內(nèi)的溫度情況，結(jié)果表明：在相同放電倍率下，增加進(jìn)口的流量，可以有效降低電池組內(nèi)外溫度差。

以前的研究思路大多是以流體的流速以及入口溫度為變量，模擬對(duì)鋰電池組溫度場(chǎng)的影響。為了更有效地降低鋰電池組的溫度以及溫差，本文以長(zhǎng)方體鋰電池組為研究對(duì)象，采用液冷間接冷卻的方式，利用Fluent仿真軟件對(duì)其進(jìn)行散熱仿真分析，通過改變冷卻流道的結(jié)構(gòu)以及截面形狀來研究對(duì)鋰電池組溫度場(chǎng)的影響，為鋰電池組流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 鋰電池組模型的建立

1.1 鋰電池的生熱與傳熱模型

針對(duì)電池單體的生熱速率，目前廣泛使用Bernardi方程計(jì)算［12］。Bernardi電池生熱模型

式中：V為電池體積；I為工作電流；Eo為開路電壓；E為端電壓；T為起始溫度，取298 K；R為歐姆電阻；d Eo/d T為一常數(shù)，由于數(shù)值較低可忽略。

仿真實(shí)驗(yàn)選用電池模型為錳酸鋰電池，其導(dǎo)熱微分方程為［13］：

式中：ρ為電池密度；c為電池比熱容；t為電池工作時(shí)間；T為電池溫度；q為電池生熱速率。

在電池組結(jié)構(gòu)中，每層材料的物性參數(shù)不相同，X、Y、Z方向?qū)嵯禂?shù)為［7］：

1.2 材料熱物性參數(shù)

仿真是電池在1 C、3 C放電倍率的情況下，通過電池生熱模型公式計(jì)算得出，電池最終產(chǎn)熱值約為16 000和62 000 W/m3，如表1所示。通過式（3）和式（4）得出單體電池內(nèi)不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)［14］，如表2所示。

表2 材料熱物性參數(shù)Tab.2 Thermophysical propertiesof materials

1.3 鋰電池組流道的幾何模型

鋰電池幾何模型選自某新能源公司研發(fā)鋰電池，為簡(jiǎn)化仿真實(shí)驗(yàn)，把鋰電池單體簡(jiǎn)化為130 mm×80 mm×18 mm的長(zhǎng)方體均熱體。如圖1為鋰電池組模型，簡(jiǎn)化的鋰電池組包含5塊鋰電池單體，6塊冷板幾何尺寸都為130 mm×80 mm×9 mm，每塊電池冷板內(nèi)都含有流道，流道結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)流道入口的截面積為36 cm2。

1.4 模型網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定

對(duì)圖1（a）所示的串行冷卻流道電池組進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中冷板和電池單體網(wǎng)格尺寸為1 mm，流道區(qū)域進(jìn)行細(xì)化處理，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，串型流道結(jié)構(gòu)電池組模型的網(wǎng)格單元數(shù)為5 782 700，整體網(wǎng)格經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如圖1（b）所示。

圖1 鋰電池組模型：（a）幾何模型，（b）網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Model of lithium battery pack：（a）geometric model，（b）meshing model

仿真實(shí)驗(yàn)采用非穩(wěn)態(tài)進(jìn)行模擬求解，采用k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，所有仿真環(huán)境溫度設(shè)定為298 K，進(jìn)出口溫度也為298 K；冷卻液為水，入口為速度入口，水的流速為0.03 m/s；出口為壓力出口，壓力值為0。整體以SIMPLE二階迎風(fēng)離散方法進(jìn)行計(jì)算；電池單體與接觸空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)值為5 W/（m2·K）［15］。

Fig.2 Different flow channel structures：（a）string diffusion flow channel，（b）double string diffusion flow channel，（c）U flow channel

2 仿真與分析

鋰電池組液冷仿真將流道結(jié)構(gòu)、流道截面長(zhǎng)寬比設(shè)定為變量，對(duì)不同流道結(jié)構(gòu)的鋰電池組進(jìn)行仿真，通過對(duì)比最高溫度以及單體電池溫度差進(jìn)行分析，得出在不同工況下，鋰電池組溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

2.1 不同流道結(jié)構(gòu)對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響

鋁制冷板內(nèi)具有不同的液冷流道，電池組在1 C、3 C放電倍率下不同液冷流道結(jié)構(gòu)時(shí)的最高溫度如圖3所示。結(jié)果表明，流道結(jié)構(gòu)為串型液冷流道時(shí)，1 C、3 C放電倍率下最高溫度分別為299.68 K和301.61 K；流道結(jié)構(gòu)為雙串型液冷流道時(shí)，1、3 C放電倍率下最高溫度分別為298.39 K和299.51 K；流道結(jié)構(gòu)為U型液冷流道時(shí)，1 C、3 C放電倍率下最高溫度分別為298.16 K和298.82 K。

圖3 不同流道在1C、3C放電倍率下溫度云圖：（a）串型1C放電倍率，（b）串型3C放電倍率，（c）雙串型1C放電倍率，（d）雙串型3C放電倍率，（e）U型1C放電倍率，（f）U型3C放電倍率Fig.3 Temperature cloud pictures of different flow channels at 1Cand 3C discharge rates：（a）string diffusion at 1C discharge rate，（b）string diffusion at 3Cdischarge rate，（c）double string diffusion at 1Cdischarge rate，（d）double string diffusion at 3C discharge rate，（e）U-channel at 1Cdischarge rate，（f）U-channel at 3Cdischargerate

溫差也是衡量電池組散熱能力好壞指標(biāo)之一，若溫差太大，則會(huì)影響放電電壓，放電電壓忽高忽低會(huì)對(duì)電池的使用年限產(chǎn)生影響。電池組在1 C、3 C放電倍率下不同液冷流道結(jié)構(gòu)時(shí)的溫差如圖4（a）所示。結(jié)果表明，在1 C放電倍率下，串型液冷流道、雙串型液冷流道和U型液冷流道時(shí)，電池組之間的溫度差分別為1.68、0.39和0.16 K；在3 C放電倍率下，串型液冷流道、雙串型液冷流道和U型液冷流道時(shí)，電池組之間的溫度差分別為3.61、1.51和0.82 K。

圖4 最高溫度和溫度差：（a）不同流道結(jié)構(gòu)，（b）不同長(zhǎng)寬比Fig.4 Maximum temperature and temperature difference：（a）different flow channel structures，（b）different aspect ratios

基于以上數(shù)據(jù)，說明U型流道對(duì)電池組的散熱能力較另外兩種強(qiáng)一些，可以更好降低電池組的最高溫度。

3.2 不同長(zhǎng)寬比液冷流道對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響

對(duì)不同長(zhǎng)寬比流道結(jié)構(gòu)的電池組進(jìn)行冷卻仿真，對(duì)比其對(duì)電池組溫度場(chǎng)的影響，得出電池組在1 C、3 C放電倍率下的溫度分布云圖，如圖5所示，最高溫度如表3所示。表3顯示，流道截面長(zhǎng)寬比為9∶4時(shí)，電池組在1 C、3 C放電倍率下最高溫度分別為299.97和302.91 K；流道截面長(zhǎng)寬比為4∶1時(shí)，電池組在1 C、3 C放電倍率下最高溫度分別為298.95和301.71 K；流道截面長(zhǎng)寬比為1∶1時(shí)，電池組在1 C、3 C放電倍率下最高溫度分別為298.16和298.82 K，最高溫度分別比長(zhǎng)寬比為9∶4時(shí)降低了1.81和4.09 K，分別比長(zhǎng)寬比為4∶1時(shí)降低了0.79和2.89 K。

圖5 不同長(zhǎng)寬比流道在1C、3C放電倍率下溫度云圖：長(zhǎng)寬比為9：1時(shí)1C（a），3C（b）放電倍率；長(zhǎng)寬比為4∶1時(shí)1C（c），3C（d）放電倍率Fig.5 Temperature cloud pictures of flow channels with different aspect ratios at 1C and 3C discharge rates：discharge rates of 1C（a）and 3C（b）at aspect ratio of 9：1，discharge rates of 1C（c）and 3C（d）at aspect ratio of 4∶1

表3 放電倍率1 C和3 C時(shí)不同長(zhǎng)寬比流道下的電池組最高溫度Tab.3 Maximum temperatures of battery pack with different aspect ratios at discharge ratesof 1Cand 3C

電池組在1 C、3 C放電倍率下不同長(zhǎng)寬比時(shí)的溫差如圖4（b）所示。結(jié)果表明，在1 C放電倍率下，流道截面長(zhǎng)寬比為9∶4、4∶1和1∶1時(shí)，電池組之間的溫度差分別為1.97、0.95和0.16 K；在3 C放電倍率下，長(zhǎng)寬比為9∶4、4∶1和1∶1時(shí)，電池組之間的溫度差分別為4.91、3.71和0.82 K。

基于以上數(shù)據(jù)，說明在截面積一定的情況下，冷卻流道截面長(zhǎng)寬相等時(shí)，鋰電池組的散熱能力最好，長(zhǎng)寬比為1∶1時(shí)可降低鋰電池組最高溫度，同時(shí)可降低電池組內(nèi)的溫差。

3 結(jié) 論

在1 C、3 C放電倍率條件下，對(duì)串型、雙串型、U型流道結(jié)構(gòu)電池組不同以及流道長(zhǎng)寬比不同的鋰電池組進(jìn)行流固耦合熱仿真，得出以下結(jié)論：

（1）電池組在工作過程中，電池組的生熱量和放電倍率成正比，電池放電倍率越大，其產(chǎn)生的熱量也越多。串型、雙串型和U型流道結(jié)構(gòu)，在3 C放電倍率下的電池組最高溫度都比1 C放電倍率時(shí)高。

（2）U型流道比串型流道和雙串型流道的最高溫度低，冷卻效果較好。在1 C放電倍率下，U型流道比串型液冷流道和雙串型液冷流道電池組的最高溫度分別降低了1.52 K和0.23 K；在3 C放電倍率下，U型流道比串型液冷流道和雙串型液冷流道電池組的最高溫度分別降低了2.79 K和0.69 K。

（3）U型流道比串型流道和雙串型流道的溫差低，均溫性比較好。在1 C放電倍率下，較之串型流道和雙串型流道電池組的溫差分別降低了1.81 K和0.79 K；在3 C放電倍率下，較之串型液冷流道和雙串型液冷流道電池組的溫差分別降低了4.09 K和2.89 K。

（4）流道截面長(zhǎng)寬比會(huì)影響電池組冷卻效果。流道截面長(zhǎng)寬比為1∶1時(shí)，鋰電池組的最高溫度較低，鋰電池組冷卻效果較好。