全接觸波浪形冷板及逆向流動(dòng)對(duì)電池溫度分布影響

張子慶，戴博文，張镕鑣，徐子順

（1.201804 上海市 上海汽車集團(tuán)乘用車技術(shù)中心；2.200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

鋰離子動(dòng)力電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、沒(méi)有記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車以及一些電氣設(shè)備中[1-2]。由于鋰離子動(dòng)力電池在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，電池組的溫度總是會(huì)升高，極大地影響了電池組的使用壽命和使用安全性[3-5]，因此鋰離子電池組的熱管理對(duì)保證電池組的性能和安全起著重要作用，良好的散熱是保證電池組正常工作、壽命、安全、可靠的關(guān)鍵。

電池組的冷卻方式主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻[6]。液冷將電池組浸泡在冷卻液中，對(duì)電池組的密封性要求極高，一旦發(fā)生碰撞車禍等，便有漏電的可能。相變冷卻容易出現(xiàn)PCM 體積變化導(dǎo)致的冷卻材料泄露，該熱管理系統(tǒng)難以應(yīng)用于大型電池組。熱管冷卻的加工工藝要求高，熱管的材料使用的成本高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜安裝難度高，抵抗沖擊等突發(fā)情況的能力較差。以上缺點(diǎn)限制了上述冷卻方式的普及[7]。與上述冷卻方式相比，液體冷板冷卻因其傳熱系數(shù)高、能耗低，被廠家普遍采用，常用于電池組的熱管理[8]。李妮檜[9]等針對(duì)鋰電池組研究了一種新型的鋁板-水管-相變材料復(fù)合式的冷卻裝置，并進(jìn)行了三維建模與仿真。比較了3 種冷卻方式單獨(dú)作用的數(shù)據(jù)，但所用的被實(shí)驗(yàn)對(duì)象是方形的，冷卻裝置也比較復(fù)雜，不易于推廣；甘云華[10]等針對(duì)18650 鋰離子電池設(shè)計(jì)的冷卻裝置，增大接觸面積，散熱效果較好，但是額外的體積較為龐大，急劇減少了車內(nèi)可以放置電池組的有效空間，降低了當(dāng)前條件下汽車的有效續(xù)航里程；朱茂桃[11]等選用了單側(cè)平面電池冷板散熱的方式，安裝簡(jiǎn)單，占用體積不大，但是頂端的電池產(chǎn)熱難以得到有效排除，存在較大安全隱患。因此，本研究選用曲面冷板緊貼每一枚電池進(jìn)行散熱的方法進(jìn)行電池最高溫度與最大溫差的分析仿真。

本文建立電池包產(chǎn)熱速率模型和電池?zé)醾鬟f模型，通過(guò)ANSYS Workbench/Fluent 在水冷卻條件下分析不同的流速流向?qū)﹄姵亟M溫度場(chǎng)分布的影響。建立鋰離子電池組三維散熱模型，研究流體輸入速度、流體輸入方向?qū)ψ畲箅姵販囟纫约白畲鬁夭钭钚』挠绊懗潭?，給電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)提供參考。

1 仿真用電池模組參數(shù)

考慮到汽車動(dòng)力電池組較大、研究時(shí)間較長(zhǎng)以及成本過(guò)大，因此選用部分電池模塊進(jìn)行研究，研究結(jié)果為動(dòng)力電池液冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

根據(jù)電池包的設(shè)計(jì)進(jìn)行電池模組參數(shù)確定。

1.1 電池模組單體數(shù)量確定

根據(jù)特斯拉實(shí)際使用的電池包，確定單體的數(shù)量和排列方式。經(jīng)查閱得出單個(gè)電池模組由15 節(jié)和16 節(jié)單體組成滿足設(shè)計(jì)需求，電池組采取交叉排列方式。但由于本研究設(shè)計(jì)的冷板針對(duì)每一排電池單獨(dú)處理，故而在后續(xù)分析時(shí)只以15 節(jié)的單排電池為仿真對(duì)象。

1.2 電池模組尺寸確定

此次仿真在每排電池組外側(cè)放置了一片液體冷板，冷板的尺寸如圖1 所示。整個(gè)冷板由一個(gè)個(gè)圓弧波浪形拼接而成，圓弧間的連接處為直線型連接，整個(gè)冷板長(zhǎng)為255 mm，厚度為1 mm，高與電池相同，為65 mm，圓弧外側(cè)半徑為7 mm，圓心距為17 mm。冷板材料選用鋁制，冷卻液選為水。

圖1 冷板模組模型截面圖Fig.1 Cold plate module model cross section

電池組的尺寸如圖2 所示。整個(gè)電池包長(zhǎng)為285 mm，寬為85 mm，高為75 mm。電池組之間以凹凸型相對(duì)連接。電池模組整體示意圖如圖2 所示。

圖2 電池模組模型Fig.2 Battery module model

2 計(jì)算準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程為

沖量方程如式（2）—式（4）所示。

能量方程為

其中：ρ——空氣密度；U——速度矢量；u，v，w ——U 在坐標(biāo)系x、y、z 方向的分量；μ——空氣動(dòng)力粘度；對(duì)于粘度系數(shù)恒定的不可壓縮流體，Sv=Su=Sw=0；ST——流體中的熱源也是流體的機(jī)械能通過(guò)粘性作用轉(zhuǎn)化為熱能的部分；k ——空氣熱導(dǎo)率；Cp——空氣比熱容。

2.2 電池產(chǎn)熱模型

利用Bernardi[12]提出的單位體積鋰離子電池發(fā)熱速率模型，產(chǎn)熱速率q 用式（6）表示。

式中：V——電池體積；I——充（放）電流（放電時(shí)I<0，充電時(shí)I>0）；U0——電池開(kāi)路電壓；U1——電池端電壓；dU0/dT——溫度效應(yīng)系數(shù)[13]，假定在0.5 mV/K 時(shí)恒定不變，U0-U1=IR，R 為電池內(nèi)阻。散熱模型的熱物理參數(shù)如表1 所示。

表1 散熱模型熱物性參數(shù)Tab.1 Thermal parameters for heat dissipation models

根據(jù)Wang 等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在絕熱環(huán)境下，使用NEWARE 電池測(cè)試儀（CT3008-5V30ANA），在5C（11 A）的快充過(guò)程中，測(cè)量一個(gè)商用18650 電池的發(fā)熱情況。其中C 表示充放電速率，它是由充放電電流除以標(biāo)稱容量計(jì)算出來(lái)的。將3 個(gè)T 型熱電偶（TC-TFF 2×0.25×1 000 mm，精度±0.1 ℃，美國(guó)）分別安裝在電池的正、中、負(fù)極表面，用連接的安捷倫數(shù)據(jù)記錄儀（34970A）采集溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)計(jì)算出的絕熱環(huán)境下的內(nèi)部熱源，電池的發(fā)熱率為7.65 W。如圖3 所示，模擬的電池表面溫度與Wang 等實(shí)驗(yàn)基本一致，最大偏差值僅為3.7%，這意味著這種模擬模型是合理的。因此，本次實(shí)驗(yàn)同樣將電池的發(fā)熱率定為7.65 W。

圖3 電池充放電實(shí)驗(yàn)溫度與仿真溫度對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental and simulated battery charging and discharging temperatures

2.3 分析方式與邊界條件確定

將創(chuàng)建的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，定義邊界條件和區(qū)域類型，并將輸出的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent 中進(jìn)行分析和計(jì)算。熱量是通過(guò)傳導(dǎo)的方式從電池內(nèi)部傳遞到電池表面的，直接貼合在電池表面的液冷板與電池表面的熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱以消除熱量。又因?yàn)閱误w電池之間的熱輻射非常小，且電池組幾乎是封閉的，電池上下和冷卻板外側(cè)的對(duì)流散熱非常有限，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，可以忽略電池組的熱輻射，并且將冷板外壁、電池上下端面與空氣對(duì)流散熱系數(shù)定為常數(shù)。為了避免角部產(chǎn)生負(fù)網(wǎng)格，將電池組和冷板以三角網(wǎng)格劃分。進(jìn)液口為速度入口，出液口為自由出口。其中，冷板外壁與空氣對(duì)流散熱系數(shù)為2.0，電池上下端面與空氣對(duì)流散熱系數(shù)為1.5。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 進(jìn)液口流速的影響

研究進(jìn)液口流速的影響時(shí)，液體流動(dòng)方向?yàn)殡p側(cè)通向流動(dòng)。圖4、圖5 分別為不同進(jìn)液口流速時(shí)電池組的最高溫度與最大溫差分布情況。當(dāng)入口流速為0 時(shí)，電池處于自然冷卻狀態(tài)，電池完全放電后，電池組的最高溫度為324.7 K。該檢測(cè)結(jié)果與汪繽繽等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[15]相差2.1℃，表明仿真結(jié)果合理，可繼續(xù)仿真；當(dāng)液體流速?gòu)?.005 m/s 逐漸增大至0.04 m/s 時(shí)，電池組的最高溫度和最大溫差都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？梢钥闯?，電池組的最高溫度和最大溫差都有隨著液體流速的增加而減少，這一趨勢(shì)在流速達(dá)到0.02 m/s時(shí)趨于平緩；當(dāng)流速為0.04 m/s 時(shí)，電池組的最高溫度降至301.361 K，最大溫差降低至1.361 K。與自然冷卻相比，最高溫度下降了25.449 K。

圖4 同向流動(dòng)不同流速時(shí)電池組的最高溫度Fig.4 Maximum cell temperature for different flow rates in the same direction

圖5 同向流動(dòng)不同流速時(shí)電池組的最大溫差Fig.5 Maximum temperature difference of battery pack for different flow rates in the same direction

仿真結(jié)果表明，當(dāng)流速較低時(shí)，從進(jìn)液口流入的冷卻水對(duì)第一節(jié)電池的冷卻效果極好，但之后，隨著冷卻水不斷幫助電池散熱，自身的溫度逐漸升高，散熱效果也隨之漸漸減弱。這一原理使得電池組的溫度沿著從進(jìn)液口到出液口的方向由低到高，使得整個(gè)電池組的最大溫差較高。圖6 為冷卻水流速取0.005 m/s 時(shí)，電池組的溫度仿真圖。

圖6 流速為0.005 m/s 的電池組溫度Fig.6 Battery pack temperature at a flow rate of 0.005 m/s

當(dāng)流速加快時(shí)，單位體積的冷卻液自身受到每一節(jié)電池加熱的效果減弱，故而對(duì)下一節(jié)電池的散熱效果更佳，使得電池組的最高溫度與最大溫差都呈現(xiàn)隨流速增加而下降的趨勢(shì)。于此同時(shí)，由于流速的增加，單位體積的冷卻液自身受到每一節(jié)電池加熱的效果減弱這一結(jié)果并不會(huì)使得冷卻水對(duì)電池的散熱效果降低。

3.2 進(jìn)液口流向的影響

本節(jié)研究進(jìn)液口流速分別為0.005，0.010，0.015，0.020，0.025，0.030，0.035，0.040 m/s 時(shí)，進(jìn)液口流向?qū)ο到y(tǒng)冷卻性能的影響。進(jìn)液口流向?yàn)楦鱾?cè)同向和異向時(shí)，電池組的最高溫度和最大溫差的變化情況如圖7 與圖8 所示。與同向方案相比，異向流動(dòng)方案的最高溫度與最大溫差減少程度具體數(shù)值見(jiàn)表2。

圖7 同向、異向流動(dòng)最高溫度對(duì)比Fig.7 Comparison of maximum temperatures during isotropic and anisotropic flow

圖8 同向、異向流動(dòng)最大溫差對(duì)比Fig.8 Comparison of maximum temperature difference during isotropic and anisotropic flow

表2 異向流動(dòng)方案的最高溫度與最大溫差Tab.2 Maximum temperature and maximum temperature difference for anisotropic flow solutions

仿真結(jié)果表明，當(dāng)冷卻液異向流動(dòng)，冷卻液流速為0.005 m/s 時(shí)，電池組的最高溫度為301.683 K，最大溫差為1.599 K。這一散熱效果已經(jīng)與冷卻液同向流動(dòng)，冷卻液流速取0.04 m/s 時(shí)，電池組最高溫度301.361 K，最大溫差1.361 K 的效果相差無(wú)幾。然而此時(shí)異向流動(dòng)的冷卻液流動(dòng)速度僅僅是冷卻液同向流動(dòng)流速的1/8 。

根據(jù)邱良燕[16]與王漢青[17]等的對(duì)流體流速與阻力損耗的研究成果，流體的流速越高，阻力損耗越發(fā)明顯，從而對(duì)水泵的載荷要求越高，能量消耗也越高。

冷卻液流向不同時(shí)，一側(cè)的冷卻液與電池正負(fù)極之間的換熱可視為與同向方案相同，使得電池組的溫度沿著從進(jìn)液口到出液口的方向由低到高。另一側(cè)可視為同向方案的鏡像，使得電池溫度從低到高的趨勢(shì)與先前正好相反。這一散熱方案使得冷卻液自身吸收電池的熱量而溫度升高的效果大幅度減小，散熱效果顯著提升。圖9 為冷卻水異向流動(dòng)流速取0.005 m/s 時(shí)，電池組的溫度仿真圖。

圖9 異向流動(dòng)流速0.005 m/s 的電池組的溫度Fig.9 Temperature of a cell with a flow rate of 0.005 m/s in anisotropic flow

異向方案使電池組的正負(fù)極之間的溫度更加均勻，減小了電池組的最大溫差，同時(shí)也顯著提高了液冷的散熱性能，使得最高溫度有顯著下降。因此，同向和異向2 種方案中，異向方案更有利于保持電池溫度的一致性。

4 結(jié)論

本文提出一種新的液冷冷板冷卻方案，采用Fluent 軟件仿真模擬，分析了不同的冷卻液流速和冷卻液流向?qū)峁芾硐到y(tǒng)冷卻性能的影響，得出如下結(jié)論：

（1）進(jìn)液口流速在0.005 m/s 至0.04 m/s 范圍內(nèi)變化時(shí)，電池放熱過(guò)程中的最高溫度和最大溫差都呈逐漸降低的趨勢(shì)，其中最大溫差為8.108 K；

（2）冷板異向流動(dòng)時(shí)，電池最高溫度和最大溫差明顯減小，正負(fù)極間溫度更加均勻。