鋰電池微通道液冷板散熱性能分析

田少鵬,唐 豪,龔 振

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016)

隨著科技的進(jìn)步以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),新能源汽車因能耗低、零排放等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心供能部件,為電動(dòng)車在各種駕駛循環(huán)下提供能量。因此動(dòng)力電池的性能、成本、安全性和可靠性與車輛的性能密切相關(guān)。目前影響動(dòng)力電池整體性能的主要因素是動(dòng)力電池整體的溫度以及電池單體間的溫差。低溫會(huì)使鋰電池電解質(zhì)活性降低,增大電池內(nèi)阻,導(dǎo)致電池放電容量下降;高溫會(huì)使鋰電池電極降解,電解液分解,縮短電池壽命。同時(shí)在鋰電池工作過(guò)程中,電池單體間的溫差過(guò)大會(huì)破壞電池組的均一性,損害電池壽命,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生起火、爆炸等嚴(yán)重事故[1]。因此設(shè)計(jì)出合理高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池安全高效的工作有重要意義。

液冷系統(tǒng)冷卻效率較高,且對(duì)電池表面的冷卻較為均勻,能夠有效提高電池組的溫度均勻性,減少局部熱效應(yīng),因此被廣泛應(yīng)用于動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。其中流道結(jié)構(gòu)對(duì)于液冷板散熱性能的影響較大,成為了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)。Jarrett等[2]通過(guò)對(duì)蛇形通道的板式液冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了一種最優(yōu)的蛇形通道冷卻板結(jié)構(gòu),并指出過(guò)寬的蛇形流道散熱效果較好,但電池單體間的溫差會(huì)增大。袁昊等[3]設(shè)計(jì)了一種U型管的結(jié)構(gòu)板式液冷系統(tǒng),通過(guò)仿真模擬分析了出口位置、管徑、垂直間距對(duì)熱管理系統(tǒng)散熱效果的影響,并對(duì)進(jìn)口速度及溫度進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,使液冷板表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低到 2.61 ℃。Chen等[4]采用硅油作為冷卻介質(zhì),將冷卻通道布置于電池組兩側(cè)的鋁板上,通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出當(dāng)SOC較高時(shí),增大雷諾數(shù)對(duì)冷卻效果的提高不大,并對(duì)比相變材料冷卻系統(tǒng),指出液冷溫差要高于相變材料冷卻。余劍武等[5]設(shè)計(jì)了一種中心回轉(zhuǎn)流道液冷板,通過(guò)數(shù)值仿真指出強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)能有效改善液冷板散熱均溫性能。溫達(dá)旸等[6]提出了一種非均勻翅片液冷板結(jié)構(gòu),有效改善了電池組表面溫度均勻性,降低了液冷板質(zhì)量和壓力損失。

本文根據(jù)電池組具體幾何尺寸,提出一種微通道液冷板結(jié)構(gòu)方案,采用數(shù)值計(jì)算方法探究不同質(zhì)量流量對(duì)液冷單元散熱性能的影響。并提出幾種不同的流道寬度設(shè)計(jì)以及添加擾流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),探究液冷板幾何參數(shù)變化對(duì)其散熱性能、均溫性能以及能耗的影響[7],得到較為合理的液冷板設(shè)計(jì)方案。

1 數(shù)值計(jì)算方法

液冷板的散熱原理為動(dòng)力電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)液冷板傳遞到冷卻液[8]。這一換熱過(guò)程主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行,遵循質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒方程:

(1)

(2)

(3)

其中:ρ為冷卻液密度,kg/m3;c為冷卻液比熱容,J/(kg·K);v為冷卻液流速,m/s;k為冷卻液傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

液冷板在傳熱過(guò)程中的能量方程為[9-10]:

(4)

其中:ρp為液冷板密度,kg/m3;cp為液冷板比熱容,J/(kg·K);λp為液冷板導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·K)。

鋰離子電池具有層疊結(jié)構(gòu),各層的熱物性參數(shù)不同,其導(dǎo)熱系數(shù)具有各向異性[11],因此需要根據(jù)熱阻的串并聯(lián)原理,對(duì)電池各個(gè)方向的熱物性參數(shù)進(jìn)行估算[12]。將電池厚度方向表示為x方向,平行于電池方向面的水平和豎直方向表示為y、z方向。由于x方向的電池各層結(jié)構(gòu)串聯(lián),因此導(dǎo)熱系數(shù)為[13]:

(5)

由于y、z方向的電池各層結(jié)構(gòu)并聯(lián),因此導(dǎo)熱系數(shù)為:

(6)

其中:λx、λy、λz為電池沿著x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m2·K);Li為電池各層厚度,m。

電池單體的定壓比熱容大小與電池各層材料性質(zhì)有關(guān),可通過(guò)質(zhì)量加權(quán)法計(jì)算得到[14]:

(7)

其中:ci為各層材料比熱容,J/(kg·K);mi為各層材料質(zhì)量,kg。

電池單體、液冷板和冷卻液熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 熱物性參數(shù)

2 仿真模型建立及分析

2.1 液冷單元物理模型

某商用車方形動(dòng)力電池,其電池單體標(biāo)稱容量為50 Ah,額定電壓為3.2 V,外形尺寸為130 mm×150 mm×20 mm[15]。本文選取圖1所示的動(dòng)力電池組系統(tǒng)液冷單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,包含3塊電池單體和4塊微通道液冷板,液冷板與電池單體間隔排列。

圖1 電池模組系統(tǒng)液冷單元結(jié)構(gòu)示意圖

微通道液冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。冷卻液由入口流入,通過(guò)內(nèi)部流道往復(fù)對(duì)電池單體進(jìn)行散熱,因此對(duì)電池在充放電過(guò)程中的電池單體溫度均勻性有較顯著的改善。其中D1～D16為液冷板內(nèi)部流道的尺寸設(shè)計(jì),本文主要探究流道寬度、流道高度和擾流結(jié)構(gòu)對(duì)液冷板散熱性能的影響,不對(duì)內(nèi)部流道的整體結(jié)構(gòu)做較大改動(dòng)。

圖2 液冷板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為探究強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)對(duì)本文設(shè)計(jì)的微通道液冷板在散熱、能耗及溫度均勻性上的影響,在流道寬度為1.2 mm,高度為6 mm的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了3種強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu),如圖3所示。

其中,圖3(a)是在豎直方向流道內(nèi)添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)。圖3(b)是在水平方向流道內(nèi)添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)。圖3(c)是整體添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)。強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的尺寸如圖3(d)所示。

2.3 模型邊界條件設(shè)定及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

使用Fluent軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,對(duì)仿真模型做出以下假設(shè)[16]:

1) 只考慮熱傳遞和對(duì)流,忽略熱輻射對(duì)電池組散熱的影響;

2) 充放電過(guò)程中電池內(nèi)部電流密度及產(chǎn)熱分布均勻;

3) 鋰離子電池的相關(guān)熱物性參數(shù)不隨電池的溫度發(fā)生變化。

圖3 3種強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)示意圖

在3C放電倍率下,電池單體發(fā)熱功率為135 W,環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃,選擇水作為冷卻液,冷卻液入口流速為0.2 m/s;壓力出口設(shè)置為0 Pa[17-19]。在計(jì)算過(guò)程中,假設(shè)電池與液冷板表面為絕熱狀態(tài),電池在放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量全部由冷卻液導(dǎo)出[20]。

采用8個(gè)不同數(shù)量網(wǎng)格的方案進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示,可知在方案3,網(wǎng)格數(shù)量n=2 062 518時(shí),電池組最高溫度不再隨著網(wǎng)格數(shù)量n的增加發(fā)生明顯變化。所以,最終選擇網(wǎng)格方案4,網(wǎng)格數(shù)量n=2 832 413進(jìn)行后續(xù)仿真分析。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證曲線

3 仿真結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量流量對(duì)液冷板散熱性能的影響分析

冷卻液作為液冷系統(tǒng)中主要的換熱介質(zhì),其質(zhì)量流量是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。合理的冷卻液流量不僅可以有效提高液冷系統(tǒng)的散熱性能和電池組的溫度均勻性,還能獲得較小的流動(dòng)阻力,實(shí)現(xiàn)液冷系統(tǒng)的節(jié)能。不同質(zhì)量流量對(duì)電池組表面最高溫度及最大溫差的影響如圖5所示。隨著質(zhì)量流量的增加,電池組的最高溫度和溫差都有顯著的降低,尤其當(dāng)質(zhì)量流量從1 g/s增加到2 g/s時(shí),最高溫度由34.87 ℃降低到30.63 ℃,降低了4.24 ℃;最大溫差由6.43 ℃降低到3.5 ℃,降低了2.93 ℃;對(duì)電池組整體工作溫度改善最為明顯。當(dāng)質(zhì)量流量由2 g/s增加到4 g/s時(shí),之后每增加2 g/s時(shí),電池組最高溫度分別降低了2.03、0.65 和0.75 ℃;最大溫差分別降低了1.4、0.52 和0.25 ℃。冷卻液流量增加對(duì)傳熱系數(shù)的影響逐漸減小,對(duì)電池組的散熱增加量也逐漸減少,因此電池組最高溫度下降趨勢(shì)逐漸放緩,對(duì)電池組工作溫度的改善效果也不再明顯。同時(shí)由于冷卻液質(zhì)量流量的增加,冷卻液溫度分布的均勻性得到增強(qiáng),電池組的最大溫差逐漸降低。這表明質(zhì)量流量的增加能夠有效降低電池組溫度,改善電池組溫度均勻性。

圖5 不同質(zhì)量流量對(duì)電池組溫度的影響曲線

圖6表示了不同質(zhì)量流量下液冷板傳熱系數(shù)和內(nèi)部流道壓降的變化。可以看出隨著質(zhì)量流量的增加,液冷板的傳熱系數(shù)h逐漸增大,由開(kāi)始的70.7 W/(m2·K)增加到105.4 W/(m2·K),隨著質(zhì)量流量的持續(xù)增加,傳熱系數(shù)的增大幅度逐漸降低。這表明僅在較小質(zhì)量流量的范圍內(nèi),傳熱系數(shù)會(huì)隨質(zhì)量流量增加,當(dāng)質(zhì)量流量較大時(shí),其對(duì)傳熱系數(shù)的提升不再明顯。質(zhì)量流量的增加也會(huì)使內(nèi)部流道的流動(dòng)阻力增加,當(dāng)質(zhì)量流量為1 g/s時(shí),液冷板內(nèi)部流道流動(dòng)阻力僅為1 071 Pa,隨著質(zhì)量流量的增加,流動(dòng)阻力分別增加了1 351.6、3 554.9、4 706.8、6 369.2 Pa,流動(dòng)阻力呈一種冪函數(shù)趨勢(shì)增加。這是因?yàn)橘|(zhì)量流量越大,冷卻液需要克服更大的阻力才能從出口流出,因此質(zhì)量流量的增加在改善液冷板散熱性能的同時(shí),也增加了系統(tǒng)的能耗。圖6表明質(zhì)量流量的增大能夠提高液冷板散熱性能,而過(guò)大的質(zhì)量流量不僅對(duì)散熱性能的改善效果有限,且會(huì)使內(nèi)部流道流動(dòng)阻力大幅增加,使得液冷板能耗增加,降低了液冷板綜合性能。

圖6 不同質(zhì)量流量下液冷板壓降和傳熱系數(shù)變化曲線

3.2 流道高度對(duì)液冷板散熱性能的影響

圖7為不同流道高度下電池表面溫度變化曲線。隨著流道高度的逐漸增加,電池組最高溫度逐漸增加,同時(shí)最大溫差逐漸降低。當(dāng)流道高度為4 mm時(shí),最高溫度為30.61 ℃,最大溫差為3.49 ℃。隨著流道高度的增加,電池表面最高溫度分別升高到30.75、30.83、31.17 ℃;最大溫差分別降低到3.36、3.13、2.87 ℃。這是由于隨著內(nèi)部流道高度的增加,液冷板內(nèi)部流道截面積增大,使得冷卻介質(zhì)的流動(dòng)阻力和流速逐漸降低,冷卻液在流動(dòng)過(guò)程中與液冷板換熱量減少,對(duì)電池組的冷卻能力下降。

圖8顯示了流道高度對(duì)液冷板流動(dòng)阻力和平均傳熱系數(shù)的影響?？梢钥闯?隨著流道高度的增加,流動(dòng)阻力從4 334.6 Pa降低到1 437.5Pa;平均傳熱系數(shù)從87.61 W/(m2·K)增加到95.13 W/(m2·K)。這表明流道高度的增加能夠增加液冷板流道平均傳熱系數(shù),同時(shí)減小了內(nèi)部流道的流動(dòng)阻力,降低了系統(tǒng)能耗。

圖7 不同流道高度對(duì)電池組表面溫度的變化曲線

圖8 不同流道高度對(duì)液冷板流動(dòng)阻力和平均傳熱系數(shù)的影響曲線

圖9為不同流道高度下電池單體表面溫度場(chǎng)云圖?？梢钥闯?隨著流道高度的增加,由于液冷板內(nèi)部流道的流動(dòng)阻力逐漸降低,電池組整體低溫區(qū)域逐漸減小,高溫區(qū)域不斷增大。當(dāng)流道高度為4 mm時(shí),由于存在較大的流動(dòng)阻力,提高液冷板的散熱性能,電池組最高溫度為30.61 ℃,而較大的流速會(huì)使電池組表面最大溫差較大,為3.49 ℃。當(dāng)流道高度為7 mm時(shí),較大的流道截面積會(huì)降低流道的流動(dòng)阻力,降低液冷板散熱性能,電池組表面最高溫度為31.17 ℃,由于冷卻液流速較小且內(nèi)部流道換熱系數(shù)增加,因此電池組靠近出口附近的高溫區(qū)域擴(kuò)大,改善了液冷板的溫度均勻性,最大溫差降低到2.87 ℃。這表明流道寬度的增加使得電池組表面最高溫度增加,但流道的流動(dòng)阻力減小,換熱系數(shù)增加,使得液冷板在降低能耗的同時(shí),改善了電池組表面的溫度均勻性。

圖9 不同流道高度下的溫度場(chǎng)云圖

3.3 流道寬度對(duì)液冷板散熱性能的影響

圖10為不同流道寬度對(duì)電池表面溫度的影響曲線?？梢钥闯?隨著流道寬度的增大,電池單體表面平均溫度呈上升趨勢(shì),最大溫差呈下降趨勢(shì)。當(dāng)流道寬度為0.6 mm時(shí),最高溫度為30.23 ℃,最大溫差為3.7 ℃。隨著流道寬度的增加,電池表面最高溫度分別升高到30.53、30.68、30.83 ℃;最大溫差分別降低到3.58、3.52、3.48 ℃。這是由于質(zhì)量流量一定,流道寬度的增加使得微通道橫截面積增大,這使得冷卻介質(zhì)的流動(dòng)阻力不斷減小,冷卻液流速逐漸降低,因此冷卻液在流動(dòng)過(guò)程中與液冷板換熱量降低,冷卻能力下降。

圖10 不同流道寬度對(duì)電池組表面溫度的影響曲線

圖11顯示了不同流道寬度對(duì)液冷板流動(dòng)阻力和平均傳熱系數(shù)的影響變化曲線?？梢钥闯?隨著流道寬度的增加,流動(dòng)阻力從15 993.38 Pa降低到2 422.65 Pa;平均傳熱系數(shù)從85.6 W/(m2·K)增加到90.6W/(m2·K)。這表明流道寬度的增加能夠增加液冷板流道平均傳熱系數(shù),有利于增強(qiáng)液冷板的散熱、能耗和溫度的均勻性能。

圖11 不同流道寬度對(duì)液冷板流動(dòng)阻力和平均傳熱系數(shù)的影響曲線

不同流道寬度下電池單體表面溫度場(chǎng)如圖12所示。

圖12 不同流道寬度下的溫度場(chǎng)云圖

可以看出,較小的流道寬度會(huì)使得流動(dòng)阻力增加,因此電池組在冷卻液入口處的低溫區(qū)域隨著流道寬度的增加逐漸減小,高溫區(qū)域不斷增大。當(dāng)流道寬度為0.6 mm時(shí),較小的流道截面積會(huì)使得流動(dòng)阻力較大,冷卻液流速增高,提高液冷板的散熱性能,電池組最高溫度為30.2 ℃,同時(shí)會(huì)降低電池組的溫度均勻性,電池組表面最大溫差為3.49 ℃。當(dāng)流道寬度為1.2 mm時(shí),較大的流道截面積會(huì)降低流道的流動(dòng)阻力,降低液冷板散熱性能,電池組表面最高溫度為31.17 ℃,同時(shí)會(huì)使得入口附近的低溫區(qū)域不斷縮小。由于冷卻液流速較小且內(nèi)部流道換熱系數(shù)增加,因此電池組靠近出口附近的高溫區(qū)域擴(kuò)大,改善了液冷板的溫度均勻性,電池組表面最大溫差降低到2.87 ℃。因此較小的流道寬度會(huì)使液冷系統(tǒng)能耗增加,系統(tǒng)的散熱能力增強(qiáng);較大的流道寬度會(huì)減小流動(dòng)阻力,在降低能耗的同時(shí),減小電池組表面的溫差,但冷卻液對(duì)電池組的散熱能力會(huì)略有降低。

3.4 強(qiáng)化傳熱機(jī)構(gòu)對(duì)液冷板散熱性能的影響

擾流結(jié)構(gòu)是強(qiáng)化傳熱技術(shù)的一種,可通過(guò)在液冷板流道內(nèi)部添加強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)來(lái)提高換熱效率,是液冷板流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要因素。圖13為不同擾流結(jié)構(gòu)對(duì)電池組表面溫度變化的影響,其中結(jié)構(gòu)0為無(wú)擾流結(jié)構(gòu)的微通道液冷板。通過(guò)對(duì)比3種流道結(jié)構(gòu)可知,添加擾流結(jié)構(gòu)能夠有效提高液冷板散熱能力,降低電池組表面溫度。擾流結(jié)構(gòu)1使得電池組表面最高溫度由擾流結(jié)構(gòu)0的30.83 ℃降低至30.4 ℃,擾流結(jié)構(gòu)2和3使得電池組表面最高溫度又下降到了30.3 ℃和29.86 ℃。但擾流結(jié)構(gòu)1和擾流結(jié)構(gòu)2增大了電池組表面的最大溫差,使得表面最大溫差從3.49 ℃增加到了3.6 ℃和3.8 ℃。擾流結(jié)構(gòu)3有效降低了電池組表面最大溫差,使得電池組表面最大溫差降低到3.31 ℃,提高了電池組溫度均勻性。

圖13 強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)對(duì)電池組表面溫度的影響曲線

擾流結(jié)構(gòu)對(duì)液冷板流動(dòng)阻力和平均傳熱系數(shù)的影響如圖14所示。與無(wú)擾流結(jié)構(gòu)情況下相比,擾流結(jié)構(gòu)的添加增加了液冷板內(nèi)部流道的流動(dòng)阻力,平均傳熱系數(shù)也隨之增加。流道內(nèi)部流動(dòng)阻力從初始的2 422.64 Pa依次遞增了225.36、153.1、207 Pa,可見(jiàn)擾流機(jī)構(gòu)的添加對(duì)液冷板流動(dòng)阻力影響較小,對(duì)液冷板的能耗增加不大。內(nèi)部流道平均傳熱系數(shù)從初始的90.54 W/(m2·K)分別增加了0.64、1.17、1.23 W/(m2·K),可見(jiàn)擾流機(jī)構(gòu)的添加對(duì)傳熱系數(shù)無(wú)明顯影響。由圖14可知擾流結(jié)構(gòu)的增加能夠改善微通道液冷板的冷卻和均溫性能,且不會(huì)明顯增加液冷板工作時(shí)的能量消耗。

4 結(jié)論

1) 質(zhì)量流量在0.4 g/s時(shí),電池組表面最高溫度和最大溫差分別為28.6 ℃和2.1 ℃,在0～0.4 g/s范圍內(nèi),冷卻液質(zhì)量流量的增加能有效改善液冷系統(tǒng)的散熱性能和均溫性能。當(dāng)質(zhì)量流量高于0.4 g/s時(shí),過(guò)高的質(zhì)量流量對(duì)散熱性能的提升十分有限,且內(nèi)部流道流動(dòng)阻力的增加會(huì)增大液冷系統(tǒng)的能耗,因此,質(zhì)量流量的選取不宜過(guò)大。

2) 液冷板流道寬度和高度的增加會(huì)增大電池組最高溫度,降低液冷系統(tǒng)散熱性能,但可以減小最大溫差,提高液冷系統(tǒng)均溫性能。流道寬度和高度的降低會(huì)大幅增加流動(dòng)阻力,使系統(tǒng)能耗增加。當(dāng)流道高度為6 mm時(shí),電池組最高溫度較5 mm時(shí)僅增加0.08 ℃,最大溫差減小0.23 ℃;流道高度為7 mm時(shí),電池組最高溫度較 5 mm時(shí),增加0.42 ℃,最大溫差減小0.49 ℃。當(dāng)流道寬度大于1 mm時(shí),流道寬度的增加對(duì)液冷板散熱性能的改善效果逐漸降低。當(dāng)流道寬度為1.2 mm時(shí),電池組最高溫度較1 mm時(shí)增加0.15 ℃,最大溫差僅減小0.04 ℃。 綜合考慮流道高度設(shè)計(jì)為6 mm,寬度為1 mm,在保證液冷板散熱性能的同時(shí),其均溫性能不會(huì)有太大的削弱。

3) 在液冷板流道內(nèi)合理添加擾流機(jī)構(gòu)可以提升系統(tǒng)整體性能,擾流結(jié)構(gòu)3的整體擾流布置方案與無(wú)擾流機(jī)構(gòu)液冷板相比,電池組表面最高溫度減小0.97 ℃,最大溫差減小0.19 ℃,而液冷板內(nèi)部流道的流動(dòng)阻力僅增加585.52 Pa,更好地實(shí)現(xiàn)了散熱、均溫和能耗三者之間的均衡。