平板熱管與液冷板作用下鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)特性

趙麗麗,周大翰,管昭輝

(沈陽大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110044)

在實際應(yīng)用中,因需要獲得足夠的功率和能量,新能源汽車的電池通常是以串并聯(lián)的形式組裝成電池包使用,在密閉的電池箱內(nèi)包含了成百上千塊電池。在高倍率充放電循環(huán)期間電池組會產(chǎn)生大量熱,加速各種電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,隨著電池組內(nèi)熱量的增加,會影響電池的性能,產(chǎn)生過熱、燃燒和爆炸等風(fēng)險,電池組溫度高于40 ℃或低于15 ℃時,電池組容量和能量產(chǎn)生劇烈衰減,并可能發(fā)生短路和著火等危險。因此需要有效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來保障電池組的性能和安全[1]。

在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究中,在電池組提供足夠功率和能量的前提下,為確保電池組具有最大循環(huán)壽命和最優(yōu)存儲能力,應(yīng)將電池組溫度控制在20～30 ℃范圍內(nèi)。對于在30～40 ℃范圍內(nèi)工作的鋰離子電池,溫度每升高1 ℃,電池壽命就會縮短2個月。單個電池過熱時,會產(chǎn)生大量的熱,從而引發(fā)相鄰電池的熱失控,導(dǎo)致整個電池組出現(xiàn)故障,單個電池之間的溫度差應(yīng)小于5 ℃。因此,汽車在各種工況下運行時,控制電池組溫度的穩(wěn)定性及單體電池之間溫差的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

當(dāng)前有空氣冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、相變材料冷卻及它們的組合冷卻形式[2-6],其中最常見的冷卻方式是空氣冷卻和液體冷卻。與空氣冷卻相比,液體冷卻具有比熱容和對流換熱系數(shù)大的優(yōu)勢。液體冷卻系統(tǒng)與電池組進行換熱時,能將電池組的熱量迅速帶出,快速實現(xiàn)散熱需求[7]。在電池底部增加液冷板冷卻方形鋰離子電池的過程中,由于電池的熱阻較大,電池上部的熱量較難通過底置液冷板帶走,電池組內(nèi)熱均衡性較差。

針對電池組中熱均衡性不良的問題,提出將平板熱管與液冷板結(jié)合的新型散熱方式,利用熱管與液冷板結(jié)合來平衡電池組內(nèi)溫度的不均勻性和降低電池溫度峰值,液冷板與熱管冷凝端進行換熱能夠加快熱管內(nèi)液體循環(huán)速度,提高冷卻能力,達到防止電池組內(nèi)電芯過熱的目的。并通過改變冷卻液入口流速進行研究分析。

1 單體電池生熱機理與生熱計算

1.1 電池生熱速率模型

鋰離子電池由正負(fù)極、隔膜、電解液、集流體等組成。電池生熱速率的準(zhǔn)確計算是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計和分析的基礎(chǔ)。電池單體的生熱速率受電流密度、荷電狀態(tài)及環(huán)境溫度等多因素影響,具有高度非線性,很難進行準(zhǔn)確地測量。因此,針對電池單體的生熱速率,目前廣泛使用Bernardi數(shù)學(xué)模型計算[8]。該模型對鋰電池作出必要的假設(shè):電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻;內(nèi)部各種材料均勻、密度一致;材料的熱物性參數(shù)不隨溫度與荷電狀態(tài)而變化;忽略電池內(nèi)部對流換熱與輻射散熱的影響。

電池生熱速率方程為

(1)

1.2 熱物性參數(shù)

單體電池內(nèi)部每層材料的熱物性參數(shù)各不相同,由于鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)為層疊型結(jié)構(gòu),所以單體電池的導(dǎo)熱性為各向異性。在電池的長度和高度方向,電池內(nèi)部各層材料并聯(lián),在厚度方向電池各層材料串聯(lián)。因此根據(jù)熱阻串并聯(lián)原理,估算電池各個方向的熱物性參數(shù)。令x方向表示為厚度方向,y、z方向分別表示為長度和高度方向。假設(shè)鋰離子電池中各材料的導(dǎo)熱系數(shù)在工作過程中均為常數(shù),則在不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)計算如下:

(2)

式中:li為電池第i層材料的厚度;λi為電池第i層材料的導(dǎo)熱系數(shù);λx,λy,λz分別為電池沿著3個方向的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

單體電池的定壓比熱容Cp一般視為常數(shù),其數(shù)值大小與各層材料的性質(zhì)有關(guān),通過質(zhì)量加權(quán)法計算得到,計算公式為

(3)

式中:ci為各組成物質(zhì)的比熱容;mi為各組成物質(zhì)的質(zhì)量;mc為電池質(zhì)量。

電池的平均密度ρ計算公式為

(4)

根據(jù)式(2)～式(4)得到單體電池相關(guān)物性參數(shù),選用某車三元鋰離子電池,電池容量為234 Ah,標(biāo)稱電壓為3.7 V。電池外觀尺寸和單體電池物性參數(shù)如表1所示。電池箱體上蓋板為保溫材料,下托盤與液冷板材料均為6063鋁合金,冷卻液選用質(zhì)量濃度為50%的乙二醇溶液。熱管理系統(tǒng)元件物性參數(shù)如表2所示。

表1 單體電池物性參數(shù)Table 1 Physical properties of single cell

表2 熱管理系統(tǒng)元件物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of thermal management system components

2 新型電池組熱管理系統(tǒng)模型

2.1 模型的建立

選擇一款容量為234 Ah的三元鋰離子電池,其工作電壓在3.0～4.2 V。選用20節(jié)方形電池(受電腦仿真計算能力限制)布置在液冷板上部。液冷板內(nèi)部如圖1(a)所示,將液冷板冷卻液出入口布置在相鄰處,相鄰2條管路的冷卻液流速方向相反,此種布置方法可以平衡液冷板溫度。然后,將相鄰單體電池長度方向的間隙設(shè)置為15 mm,厚度方向的間隙設(shè)置為3 mm。厚度方向上在每2個電池間放置1個長630 mm、寬30 mm、厚3 mm的熱管進行冷卻,將熱管冷凝端與電池液冷系統(tǒng)相連接[9]。平板熱管中的工作液體通過蒸發(fā)帶走熱源中的熱量,在冷凝端將熱量傳遞給液冷板,使管中液體蒸汽能快速液化,回到蒸發(fā)端繼續(xù)工作。將熱管鑲嵌在電池間,對電池厚度方向進行散熱,使電池組內(nèi)溫度更加均勻。在液冷板上表面并聯(lián)1個熱管冷卻裝置,與熱管冷凝端連接,通過其內(nèi)部冷卻液流動帶走熱管的熱量,使熱管內(nèi)液體蒸汽快速液化,回到蒸發(fā)端繼續(xù)對電池進行冷卻。平板熱管與液冷板結(jié)合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型Fig.1 Model of battery thermal management system

電池可在高度和厚度2個方向散熱:在電池高度方向,電池底部布置導(dǎo)熱墊,增大電池底部換熱面積,散熱方向為電池底部傳向?qū)釅|,再傳向液冷板,最后通過液冷板內(nèi)部的流體進行傳導(dǎo)散熱;在電池厚度方向,熱管與電池間增加導(dǎo)熱介質(zhì),提高熱管的傳熱能力,散熱方向為電池側(cè)面、導(dǎo)熱介質(zhì)、熱管、熱管冷卻裝置。

2.2 計算域網(wǎng)格劃分

圖2 計算域網(wǎng)格劃分Fig.2 Model meshing of compute domain

采用計算流體力學(xué)(CFD)方法,使用 STAR-CCM+軟件計算流體仿真過程中,網(wǎng)格精度對計算結(jié)果和收斂性影響較大。將建立好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型導(dǎo)入STAR-CCM+中進行網(wǎng)格修復(fù),將修復(fù)好的面網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格生成器對計算域進行網(wǎng)格劃分,對流體區(qū)域采用網(wǎng)格加密處理,并設(shè)置一定厚度的邊界層網(wǎng)格,使計算更加準(zhǔn)確。模型共劃分1 251萬個網(wǎng)格單元,計算域網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.3 模型邊界條件設(shè)定

在STAR-CCM+中對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進行仿真計算時,對熱管理系統(tǒng)模型進行以下假設(shè):

1) 把電池單體處理為均勻體熱源,并將其各項異性熱導(dǎo)率簡化為在x、y、z3個方向的不同導(dǎo)熱系數(shù),且在仿真過程中導(dǎo)熱系數(shù)不變;

2) 電池組產(chǎn)熱仿真過程中,只考慮熱傳遞和熱對流,熱輻射換熱量極小,忽略熱輻射對電池組散熱的影響;

3) 在電池充放電時,其內(nèi)部均勻一致,各電池單體視作產(chǎn)熱率相同的均勻發(fā)熱源;

4) 由于平板熱管內(nèi)部的傳遞機理較為復(fù)雜,建立的模型為簡化模型,將平板熱管簡化成與實際熱管大小相同,并具有很強導(dǎo)熱性能的固體塊[10]。

電池在1.2C放電倍率下產(chǎn)熱功率為42.7 W;在1.0C放電倍率下產(chǎn)熱功率為24.9 W;在0.5C放電倍率下產(chǎn)熱功率為16.2 W,環(huán)境溫度設(shè)定為25 ℃。液冷板對空氣的自然對流傳熱系數(shù)取值為5 W·m-2·K-1[11]。采用控制策略為:當(dāng)電池組內(nèi)電池最高溫度小于32 ℃,液冷板入口流速為0 m·s-1;當(dāng)電池組內(nèi)溫度大于33 ℃,液冷板入口流速為2 m·s-1?？紤]熱管冷啟動的問題,將平板熱管的啟動溫度設(shè)置為33 ℃,同時將平板熱管的等效導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為1 000 W·m-1·K-1[12-15]。

3 仿真結(jié)果與分析

對平板熱管與液冷板結(jié)合的熱管理系統(tǒng)進行對比仿真。冷卻液流速是影響鋰離子電池組散熱性能的重要因素,以鋰離子電池組的最大溫升和最大溫差作為評價其散熱性能的指標(biāo)。

3.1 單體電池及電池組熱仿真分析

對研究的方形三元鋰離子電池進行建模,由于電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如果對每層材料建模并劃分網(wǎng)格,會造成巨大的計算量,因此把單體電池等效為均勻的長方體,如圖3所示。為模擬實際電池與環(huán)境的換熱,設(shè)置電池和環(huán)境溫度均為25 ℃,電池表面對流換熱系數(shù)為5 W·m-2·K-1。電池以1.2C進行放電,仿真時間為3 000 s。觀察電池溫度云圖如圖4所示,電池溫度升高30 ℃,高溫區(qū)域為單體電池中心區(qū)域,低溫區(qū)域為電池的4個棱邊處。

圖3 單體電池幾何模型Fig.3 Geometry model of single cell

圖4 單體電池溫度云圖Fig.4 Temperature cloud of single cell

3.2 相同倍率下不同冷卻方式的性能分析

圖5為電池在25 ℃環(huán)境溫度下,以1.2C放電倍率下液體冷卻和平板熱管與液冷板結(jié)合的熱管理系統(tǒng)溫度云圖。從圖5(a)中可以看出,靠近液冷板入口和電池組四周的溫度較低,電池頂部的溫度較高,且最高溫度出現(xiàn)電池組中心區(qū)域。這是由于單體電池間存在熱傳導(dǎo),且電池的熱阻較大,使在頂部的熱量不易散出。圖5(b)是在電池兩側(cè)增加平板熱管,平板熱管與液冷板共同調(diào)節(jié)電池組中的溫度。

圖5 液體冷卻和平板熱管與液冷板結(jié)合方式電池組溫度云圖Fig.5 Battery pack temperature clouds of methods of liquid cooling and flat heat pipes combined with liquid cooling

圖6為電池組以2種冷卻方式的溫度曲線,由圖6得到在液體冷卻的熱管理系統(tǒng)中,電池在放電結(jié)束時溫度曲線依然沒有進行收斂,且電池組的最高溫度為39.134 ℃,電池組內(nèi)溫度差值隨著時間的增長而逐漸增大,最后增大到6.241 ℃。在平板熱管與液冷板結(jié)合的新型冷卻系統(tǒng)中,新型熱管理系統(tǒng)在1 000 s左右開始啟動,直至放電結(jié)束依舊處于收斂狀態(tài)。將電池的最大溫度控制在32.252 ℃,比液體冷卻系統(tǒng)最高溫度降低16.32%。根據(jù)上述分析可知,在單體電池兩側(cè)增加平板熱管能夠顯著降低電池的最高溫度和縮小電池組內(nèi)溫度差值,并且能將電池溫度控制在一定范圍內(nèi)。

圖6 液體冷卻和平板熱管與液冷板結(jié)合方式的溫度曲線Fig.6 Temperature curves of methods of liquid cooling and flat heat pipes combined with liquid cooling

3.3 不同冷卻液流速下散熱性能分析

冷卻液流速是影響熱管理系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。冷卻液流速越快,冷卻效果越好,電池溫度越低,同時壓降也越大,能耗也增大。因此合理選擇冷卻劑流速至關(guān)重要。選取4種冷卻液流速,分析1.2C放電倍率時熱管理系統(tǒng)的冷卻性能。

圖7為不同流速下電池包的溫差和最高溫度曲線。當(dāng)入口速度由0.5 m·s-1提高到1.0 m·s-1時,電池的最高溫度降低8%,最大溫差降低了57%;當(dāng)入口速度由1.0 m·s-1提高到1.5 m·s-1時,電池的最高溫度降低不足1%,最大溫差反而升高了15%;當(dāng)入口速度由1.5 m·s-1提高到2.0 m·s-1時,電池的最高溫度同樣降低不足1%,同時最大溫差也變大了。綜合對比4種冷卻液流速情況,冷卻液流速在1.0 m·s-1時的綜合效果最好。由此可知,增加冷卻液入口流速可以在一定程度上降低最高溫度及溫差,但隨著流速的增加,最高溫度及溫差下降趨勢變緩,甚至導(dǎo)致溫差變大。

圖7 4種不同流速下電池組溫度曲線Fig.7 Battery pack temperature profiles at 4 different flow rates

4 結(jié) 論

提出一種平板熱管與液冷板相結(jié)合的鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),該熱管理系統(tǒng)具有較強的散熱能力,電池組內(nèi)最高溫度和溫度差值等方面較液冷板結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢。建立了三維有限元模型,分析了不同入口流速對散熱性能的影響。主要結(jié)論如下:

1) 采用底置液冷板與平板熱管結(jié)合的形式可以從2個方向?qū)﹄姵剡M行散熱,使電池組內(nèi)最高溫度維持在40 ℃以下,最大溫差保持在3 ℃左右。

2) 增加冷卻液流速可以一定程度降低最高溫度及溫差,但隨著流速的增加,最高溫度及溫差下降趨勢變緩,甚至?xí)?dǎo)致溫差變大。