電動汽車電池組液冷散熱性能數(shù)值研究

羅澤霖，畢崟，梁珂

（湖北汽車工業(yè)學院汽車工程學院，湖北十堰 442002）

鋰離子電池是電動汽車的先進儲能部件［1］。由于電動汽車的電池布置空間有限，電池排列緊湊，電池在工作中放出的大量熱量不易散出，容易造成電池組溫度升高進而引發(fā)安全問題［2］。鋰離子電池的適宜工作溫度為20～40℃，單體電池或電池組內(nèi)部最大溫差不應超過5℃［3］。因此，對電動汽車電池組進行熱管理研究，使其溫度均勻分布并被控制在適宜區(qū)間內(nèi)具有重要的意義。楊潤澤等［4］對某結(jié)構下的方形電池包進行了風冷散熱的數(shù)值模擬研究，通過改進散熱結(jié)構改變氣流的流動提升了電池包的冷卻效果。Huo 等［5］基于方形電池的微通道冷板散熱系統(tǒng)研究了冷卻液入口質(zhì)量流量和環(huán)境溫度對電池冷卻效果的影響，得出了在良好冷卻性能時的最佳入口質(zhì)量流量。胡興軍等［6］探究了不同結(jié)構下的冷卻管道對18650鋰離子電池組散熱效果的影響，發(fā)現(xiàn)采用U形冷卻管道設計的電池組散熱效果最好。上述學者主要研究了改變內(nèi)部單一冷卻結(jié)構或者僅改變冷卻液入口條件對電池組散熱效果的影響，沒有同時考慮到不同冷卻結(jié)構在不同邊界條件下的散熱性能，且其冷卻結(jié)構的散熱效果還有待提升。文中對某電動汽車上21700 鋰離子電池組的液冷散熱系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，分析了不同冷卻通道結(jié)構對電池組散熱效果的影響，研究了冷卻液入口條件對不同冷卻通道結(jié)構的電池組散熱性能的影響。

1 單體電池模型

1）電池熱模型 鋰電池內(nèi)部的產(chǎn)熱與傳熱過程較為復雜，為了減小計算量，對模型進行簡化。假設電池內(nèi)部各處的密度及比熱容都相同且不變，假設電池在同一方向的導熱系數(shù)都相同且不變，忽略電池內(nèi)部的輻射散熱。結(jié)合Chen［7］的模型，建立圓柱形鋰離子電池熱數(shù)學模型：

式中：ρ為電池的密度；Cp為電池的比熱容；λr、λθ、λz分別為電池在法向、徑向和軸向的導熱率；r為電池半徑；T為電池溫度；q為單位體積生熱速率。

2）電池生熱速率 電池選用某廠商生產(chǎn)的21700型三元鋰電池作為研究對象，電池規(guī)格參數(shù)如表1 所示。電池生熱速率通過Bernardi［8］建立的電池生熱模型進行估算：

表1 電池規(guī)格參數(shù)

式中：U0為電池開路電壓；I為電池充放電電流；R為電池內(nèi)阻；V為電池體積；K為溫度影響系數(shù)，取0.3 mV·K-1。由式（2）可知，電池生熱過程是動態(tài)變化的，實際放電中，電池內(nèi)阻會隨著荷電狀態(tài)和充放電電流的變化而改變。文中選擇以電池的最大放電倍率3C為研究工況。圖1為25℃時3C放電下電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)變化的關系擬合圖，相關內(nèi)阻測試參考文獻［9］。圖1中函數(shù)曲線采用6 階多項式擬合，電池內(nèi)阻與荷電狀態(tài)間的關系式為

圖1 電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)變化圖

式中：SC為電池荷電狀態(tài)。由于研究是在電池恒流放電下進行，荷電狀態(tài)可由Cheng［10］提出的恒流放電荷電狀態(tài)計算公式得出：

式中：SC0為電池初始時刻的荷電狀態(tài)；CR為電池額定容量。綜合式（2）～（4），求出q與t的函數(shù)關系，編寫用戶自定義函數(shù)（user defined functions，UDF）程序，導入到Fluent中加載熱源項。

3）電池熱物性參數(shù) 表2 為電池相關材料的熱物性參數(shù)，根據(jù)文獻［11］中的圓柱鋰離子電池等效參數(shù)公式，計算出電池密度為2833.9 kg·m-3，比熱容為1377.6 J·kg-1·K-1，法向?qū)崧屎蛷较驅(qū)崧蕿?.7 W·m-1·K-1，軸向?qū)崧蕿?9 W·m-1·K-1。

表2 電池材料熱物性參數(shù)

4）電池自然對流散熱計算 在SpaceClaim 中建立鋰離子電池三維模型，使用Fluent Meshing 進行網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格采用Poly-Hexcore網(wǎng)格生成方法，得到最終的網(wǎng)格模型。在Fluent中設置電池材料熱物性參數(shù)，將UDF程序設為電池的體積熱源。電池表面與外界環(huán)境設置為對流換熱，環(huán)境溫度為25℃，換熱系數(shù)取6 W·m-2·K-1，時間步數(shù)設置為1200，時間步長為1 s，最大迭代數(shù)為20。計算完成后的3C 電池放電結(jié)束時的溫度云圖見圖2。通過圖2 可以看出，電池在放電結(jié)束時，電池表面最高溫度達到56.69℃，最大溫差達到0.37℃，電池內(nèi)部最高溫度達到56.8℃。電池表面高溫部分主要聚集于電池徑向和軸向的中間位置，且徑向溫度從中心向邊緣逐漸降低，軸向溫度由中間向兩端逐漸減小。電池最高溫度低于電池的規(guī)定工作溫度上限值60℃，但高于電池的適宜溫度范圍。

圖2 電池自然對流散熱溫度云圖

2 電池組液冷系統(tǒng)建模與仿真

2.1 電池組液冷系統(tǒng)模型

電動汽車電池包通常由多個電池模組構成，每個模組又可分為多個電池組，每個電池組由一定數(shù)量的單體電池構成?？紤]到計算資源有限，為了降低計算量與仿真時間，選取電池包模組中的1個電池組進行仿真，該電池組由42 個單體電池并聯(lián)構成。電池組采取間接接觸式液冷冷卻方式，冷卻系統(tǒng)由水泵、冷卻通道、電池組箱體、箱體蓋板、冷卻液、絕緣材料以及隔熱材料等組成。冷卻通道和電池組箱體采用一體式設計，通道壁和電池組箱體均采用鋁作為熱傳導材料，單體電池與箱體壁面之間填充一定的絕緣材料，冷卻液選用50%體積濃度的乙二醇水溶液。電池排列間距為6 mm,冷卻通道截面為4 mm × 58 mm，通道壁面與電池表面的間距為1 mm，電池組箱體外部尺寸為197 mm ×170 mm×62 mm。電池組冷卻系統(tǒng)模型示意圖如圖3所示。冷卻系統(tǒng)工作時，電池產(chǎn)生的熱量經(jīng)電池組箱體傳導至冷卻通道壁面，同時冷卻液被驅(qū)動流進冷卻通道中，冷卻液與通道壁面發(fā)生對流換熱并隨著流體的流動散出熱量，進而使電池組冷卻。

圖3 電池組冷卻系統(tǒng)模型示意圖

2.2 不同冷卻結(jié)構下的液冷散熱仿真分析

冷卻過程中，冷卻通道的結(jié)構對電池組的冷卻效果和熱均勻性具有重要影響。文中設計了6 種不同結(jié)構的冷卻通道，如圖4所示。結(jié)構1和結(jié)構2 的冷卻通道為方形結(jié)構，結(jié)構3 的冷卻通道為U形環(huán)繞結(jié)構，結(jié)構4 的冷卻通道為回形環(huán)繞結(jié)構，結(jié)構5的冷卻通道為蛇形環(huán)繞結(jié)構，結(jié)構6的冷卻通道為蛇形環(huán)繞2顆單體電池的結(jié)構。

圖4 冷卻通道結(jié)構及電池布置模型圖

對冷卻系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分，設置冷卻系統(tǒng)各部分材料屬性，邊界條件中電池表面與箱體接觸面、冷卻液與通道壁面設置為耦合傳熱，電池箱體外表面設置為絕熱，冷卻液入口邊界條件為速度入口（與流量入口邊界條件相互轉(zhuǎn)換），入口溫度為25℃，出口邊界條件為壓力出口，入口冷卻液雷諾數(shù)計算為1698，采用層流模型。求解方法中壓力速度耦合采用couple算法，空間離散格式采用二階迎風格式，時間項離散格式采用一階隱式。殘差收斂標準設置連續(xù)性方程為1.0×10-3，動量方程為1.0×10-3，能量方程為1.0×10-6。時間步數(shù)設置為1200，時間步長為1 s，最大迭代數(shù)為20。由單體電池的自然對流散熱可知，散熱后的單體電池表面溫差較小，且高溫集中在電池的徑向和軸向的中間部位。為了方便同時觀察電池組和冷卻液的溫度分布，選取電池組的水平中間截面作為觀察對象。計算完成后的3C 電池放電結(jié)束時的溫度云圖如圖5所示，反映了電池組的最高溫度和溫度均勻性以及冷卻液和電池組箱體的溫度情況。

由圖5可以看出：采用結(jié)構1散熱后，電池組最高溫度為30.04℃，高溫主要集中在電池組中間靠右的區(qū)域，溫度均超過28℃。采用結(jié)構2 散熱后，電池組最高溫度為30.06℃，主要集中在電池組底部中間的區(qū)域，溫度均超過28℃。采用結(jié)構3散熱后，電池組最高溫度為29.17℃，主要集中在電池組的底部區(qū)域，溫度均超過27℃。采用結(jié)構4 散熱后，電池組最高溫度為28.95℃，主要集中在電池組的內(nèi)圈區(qū)域及靠左的外側(cè)區(qū)域，溫度均超過27℃，整個電池組的散熱溫度和均勻性較好。采用結(jié)構5 散熱后，電池組最高溫度為28.88℃，主要集中在電池組的底部區(qū)域，溫度均超過27℃。采用結(jié)構6散熱后，電池組最高溫度為29.04℃，主要集中在電池組的底部區(qū)域，溫度均超過27℃。采用不同冷卻通道結(jié)構的電池組散熱性能參數(shù)如表3 所示。綜上所述，采用結(jié)構4和結(jié)構5的電池組冷卻效果最好，其中結(jié)構5冷卻后的最高溫度最低，為28.88℃，而結(jié)構4冷卻后的電池組最大溫差最小，為2.68℃。結(jié)構3 和結(jié)構6 的冷卻效果較好，最高溫度均為29.1℃左右，電池組最大溫差均為3.2℃左右。結(jié)構1和結(jié)構2的冷卻效果較差，最高溫度均超過30℃，電池組最大溫差均超過4℃。6種冷卻結(jié)構均滿足電池組適宜溫度范圍和最大溫差的要求。

圖5 電池組強制液冷散熱中間截面溫度云圖

表3 不同冷卻通道結(jié)構設計溫度參數(shù) ℃

3 冷卻液入口條件對散熱的影響

電動汽車電池熱管理主要是通過改變冷卻液的入口流量和入口溫度來實現(xiàn)對電池組溫度的控制，選用合適的冷卻液入口條件參數(shù)，使電池組控制在適宜的溫度和溫差范圍內(nèi)尤為重要。

1）冷卻液入口流量 冷卻系統(tǒng)其他仿真條件不變，冷卻液入口溫度設為25℃，改變冷卻液入口流量，計算不同冷卻結(jié)構的電池組在放電結(jié)束時的散熱情況。散熱后電池組最高溫度和電池組最大溫差如圖6a～b所示，當冷卻液流量增大時，電池組的最高溫度和最大溫差都呈下降趨勢。流量從0.3 L·min?1上升到1 L·min?1時，最高溫度和最大溫差下降幅度最大，溫度最高降低5.04℃，溫差最高降低3.97℃。流量從1 L·min?1上升到2 L·min?1時，最高溫度和最大溫差下降幅度較小，溫度最高降低1.2℃，溫差最高降低1.05℃。流量從2 L·min?1上升到5 L·min?1時，最高溫度和最大溫差下降幅度趨于平緩，溫度最高僅降低0.86℃，溫差最高僅降低0.78℃。這是因為冷卻液流量的增加提高了冷卻液與通道壁面之間的換熱系數(shù)，增加了冷卻系統(tǒng)的熱交換能力，使電池組的最高溫度逐步降低。由于相對于電池組最高溫度，冷卻液流量的改變對電池組最低溫度的影響較小，使得電池組最大溫差的變化與電池組最高溫度的變化情況相似。當冷卻液流量進一步上升時，冷卻系統(tǒng)的熱交換逐步呈飽和狀態(tài)，電池組最高溫度及最大溫差下降的幅度越來越小。同時，冷卻液流量的不斷上升也會使水泵功率進一步增大，導致冷卻通道進出口壓力損失過大。所以，在滿足散熱性的前提下，應盡量選用較小的冷卻液流量。因此，冷卻液入口流量應控制在1～2 L·min?1，此時冷卻系統(tǒng)不僅具有良好的散熱性，也具有較高的系統(tǒng)效率和經(jīng)濟性。

圖6 不同冷卻液入口條件下的電池組溫度情況

2）冷卻液入口溫度 假設一定溫度范圍內(nèi)冷卻液的熱物性參數(shù)不變。保持冷卻系統(tǒng)其他仿真條件不變，冷卻液入口流量設為1 L·min?1，改變冷卻液入口溫度，計算不同冷卻結(jié)構的電池組在放電結(jié)束時的散熱情況。散熱后電池組最高溫度和電池組最大溫差如圖6c～d 所示，由于冷卻液溫度上升，電池組最高溫度的變化呈線性增加，而電池組最大溫差的變化相對平穩(wěn)。這是因為冷卻液溫度的上升，縮小了電池組與冷卻液間的溫度差，導致相互之間熱交換的熱量變少，使電池組的最高溫度逐步增加。而入口冷卻液溫度上升的過程也會導致電池組的最低溫度增大，使電池組的溫差變化不大。此外，采用過低的入口冷卻液溫度則需要大量的功耗對冷卻液進行提前降溫，同時鋰離子電池的適宜工作溫度范圍為20～40℃，不適合在較低或較高的溫度環(huán)境下工作。綜合考慮，入口冷卻液的溫度應控制在25～35℃，此時既能使電池組的冷卻溫度滿足散熱要求，也能減少需要降低冷卻液溫度所帶來的能量損失，從而提高冷卻系統(tǒng)效率。

4 結(jié)論

采用不同的冷卻通道結(jié)構設計可以有效改善電池組的散熱溫度及熱均勻性，其中使用結(jié)構5的電池組冷卻后能獲得較低的電池組最高溫度，而使用結(jié)構4的電池組冷卻后的電池組最大溫差較小。在一定范圍內(nèi)，通過提高冷卻液入口流量可以顯著地提升電池組的散熱性能。冷卻液入口溫度的選擇能在很大程度上決定電池組的散熱溫度，但對電池組的散熱均勻性影響較小?？紤]到冷卻系統(tǒng)的功耗和成本，在滿足系統(tǒng)散熱需求的前提下，選用較小的冷卻液入口流量和適中的冷卻液入口溫度將有利于提升冷卻系統(tǒng)的工作效率和經(jīng)濟性。