基于計(jì)算流體力學(xué)的液冷式鋰離子電池包散熱分析

鐘玉華 林國(guó)柱

（廣州城市理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 前言

我國(guó)已成為世界第二經(jīng)濟(jì)體，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，避免不了新能源方面提供的動(dòng)力，為此國(guó)家相繼出臺(tái)的一系列新能源汽車政策[1]。電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車都具備動(dòng)力電池[2]。動(dòng)力電池是目前電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力來(lái)源，是影響純電動(dòng)汽車性能的重要因素之一[3]。動(dòng)力電池安全性所受外界條件限制很多，比較突出的是溫度條件的限制，動(dòng)力電池合適的工作溫度是保證動(dòng)力電池安全的發(fā)揮良好性能的前提。越來(lái)越多的研究者對(duì)動(dòng)力電池散熱性能進(jìn)行了研究[4]。

該文基于鋰離子電池的工作原理、電池產(chǎn)熱模型等理論知識(shí)，建立了液冷式鋰離子電池包的有限元模型。基于計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算了不同冷液流速情況下鋰離子電池包的溫度分布情況。

1 模型建立

1.1 單體電池的一維產(chǎn)熱模型

鋰離子電池是化學(xué)電池的一種的總稱，其共同特點(diǎn)是正、負(fù)極材料皆作為鋰離子的載體并且其電解質(zhì)材料都采用非水電解質(zhì)。內(nèi)部離子變化促進(jìn)電化學(xué)的發(fā)生，正、負(fù)電極材料上鋰的化學(xué)能大小不相同，正、負(fù)極材料上鋰的化學(xué)能差異控制著鋰離子的可循環(huán)電壓。在電池工作過(guò)程中，即充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)電池電極之間來(lái)回移動(dòng)，離子運(yùn)動(dòng)生成電流流動(dòng)，電流在電解質(zhì)中流動(dòng)便能實(shí)現(xiàn)電能的吸收或釋放[5]。

實(shí)際上，電池在工作過(guò)程中就是一個(gè)熱源，在工作過(guò)程中，電流隨時(shí)間無(wú)規(guī)則變化，其產(chǎn)熱與散熱是一個(gè)隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)變化過(guò)程，對(duì)此可以用傳熱學(xué)中的導(dǎo)熱微分方程來(lái)表示其電池單體內(nèi)部溫度的變化，如公式（1）所示。

式中：ρk為單體電池微元體的密度，單位為kg/m3；cP,k為單體電池微元體的比熱容，單位為J/（kg·K）；λk為單體電池微元體導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/m·k；Φk為單體電池微元的內(nèi)熱源項(xiàng)，單位為W/m3。

電池內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，空間狹小，在實(shí)踐過(guò)程中很難得到其內(nèi)部發(fā)熱功率。為了簡(jiǎn)化其生熱功率，該文通過(guò)前人實(shí)踐測(cè)量和理論計(jì)算相結(jié)合建立了電池生熱功率模型，包括反應(yīng)熱和焦耳熱這兩種熱量來(lái)源。具體模型如公式（2）所示[6]。

式中：I為單體電池的電流強(qiáng)度，單位為A；E為單體電池的端電壓，單位V；E0為單體電池的開(kāi)路電壓，單位V；Vb為單體電池體積，單位m3。

1.2 電池的三維模型

該文根據(jù)一維單體電池?zé)峁芾懋a(chǎn)熱模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際仿真的電池包模型，對(duì)所仿真的電池模組與液冷結(jié)構(gòu)構(gòu)建其三維模型，通過(guò)電化學(xué)-熱耦合-流體流動(dòng)的過(guò)程將三個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對(duì)仿真研究的工況設(shè)置邊界域、條件，包括傳熱域設(shè)置、傳熱邊界設(shè)置以及流動(dòng)域、流動(dòng)邊界的設(shè)置，然后對(duì)電池模組幾何部分進(jìn)行剖分網(wǎng)格，最后進(jìn)行分析研究，得到仿真計(jì)算結(jié)果，利用仿真軟件自帶的后處理功能對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理和總結(jié)。

該電池模組散熱仿真分析用到的模型分別是單電池模型、流動(dòng)和傳熱模型，該單電池模型是使用了仿真軟件中“集總電池”模型的接口?！凹傠姵亍蹦Ｐ偷某跏紖?shù)需要設(shè)置鋰離子電池的電池容量和初始荷電狀等參數(shù)內(nèi)容。把“集總電池”接口耦合到“層流”“固體傳熱”接口。分析模型有來(lái)自“層流”接口的冷卻通道中的壓力、速度以及“傳熱”接口的溫度場(chǎng)，并以類似方式將活性材料域中產(chǎn)生的熱源的平均值提供給“傳熱”接口?！半娀瘜W(xué)熱”多物理場(chǎng)耦節(jié)點(diǎn)用于在“集總電池”和“固體傳熱”接口之間耦合溫度和產(chǎn)生的熱源。三維幾何模型如圖1 所示。

圖1 電池的三維幾何模型模型（mm）

該電池內(nèi)部管道設(shè)計(jì)如下：內(nèi)部由五根管道進(jìn)行冷卻，橫管道相距皆5mm，縱向管路相距皆為10mm，5 條管道都呈一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字“2”的形狀。冷卻板內(nèi)部管道布局如圖2 所示。

圖2 電池內(nèi)部管道布局

電池組的重復(fù)單電池由包括流道的冷卻翅片組成，每側(cè)放置一個(gè)電池。冷卻翅片和電池的厚度均為2mm，將厚度求和得到單電池的總厚度6mm，由兩個(gè)棱柱電池和包括五條冷卻通道的冷卻翅片板組成電池組的單電池，模擬的電池組幾何由三個(gè)堆疊的單電池和兩個(gè)流動(dòng)連接器通道組成，一個(gè)通道在冷卻翅片的入口側(cè)，另一個(gè)在出口側(cè)，如圖3 所示（幾何中未包括的電池組中的單電池從y=0 開(kāi)始在負(fù)y方向延伸）。

圖3 液體出入口位置圖

2 仿真分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

冷卻液材料定義：在仿真軟件中選擇內(nèi)置材料——Water，liquid。冷卻翅片材料設(shè)置：在仿真軟件中選擇內(nèi)置材料——Aluminum。在材料的設(shè)置窗口中輸入材料屬性，在表中輸入以下設(shè)置[7-9]，見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)設(shè)置

2.2 結(jié)果討論

對(duì)網(wǎng)格合理劃分能減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算內(nèi)存、方便對(duì)該模型的計(jì)算，對(duì)該電池模塊詳細(xì)劃分各塊部分的大小，對(duì)比較簡(jiǎn)單的模塊直接選擇大小值大些的數(shù)值，便能將該模型簡(jiǎn)單劃分好。對(duì)復(fù)雜的部分模塊選擇自由四面體，鑒于該模型的各個(gè)部分并非過(guò)于復(fù)雜，自由四面體選項(xiàng)都可針對(duì)該模型進(jìn)行劃分。雖然四面體網(wǎng)格劃分并不能達(dá)到一定的計(jì)算精度且計(jì)算速度并不如六面體的快，但四面體劃分法對(duì)任何模型都適用。該網(wǎng)格模型如圖4 所示。

圖4 電池模組的網(wǎng)格模型

仿真中使用“層流”接口求解冷卻通道中的速度和壓力，使用“傳熱”接口求解溫度場(chǎng)。流動(dòng)室由兩個(gè)連接器通道和冷卻翅片中的通道組成，使用水的材料屬性來(lái)模擬冷卻流體，將入口溫度作為輸入來(lái)計(jì)算流體屬性。流動(dòng)邊界條件：由于所模擬的單電池是較大電池組中的最后幾個(gè)單電池且所模擬的幾何不是完整的電池組，該流動(dòng)室具有兩個(gè)入口。流動(dòng)通過(guò)所模擬的冷卻翅片板流進(jìn)入口1，而之前已通過(guò)電池組中冷卻翅片的流動(dòng)（未包括在模型中）流進(jìn)入口2。假定電池組中每個(gè)翅片的平均流量為0.5cm3/s（設(shè)置單位轉(zhuǎn)化為0.5×10-6（m3/s）），假設(shè)平均流量為0.5×10-9（m3/s）為自然冷卻條件，即冷卻室無(wú)液冷劑流動(dòng)。將模擬的冷卻翅片數(shù)量定義為Nfins，model=3，將電池組中冷卻翅片的總數(shù)定義為Nfins，pack=50。電池模組流體室中的壓力如圖5、圖6 所示。

圖5 流速為0.5×10-6（m3/s）時(shí)表面壓力（Pa）

圖6 流速為0.5×10-9（m3/s）時(shí)表面壓力

當(dāng)流速為0.5×10-9（m3/s）時(shí)，冷卻管道的壓力值接近于零值，但從圖5 中可以看到部分管道有接近600Pa 的壓力值?？梢哉f(shuō)明的是，流速為0.510-9（m3/s）時(shí)，液冷管道時(shí)幾乎沒(méi)有液冷劑在中流動(dòng)，也說(shuō)明上面的假設(shè)是正確的。

在液體冷卻下電池的溫度云圖如圖7 所示。從圖7 可以看出，在冷夜作用下該電池溫度最高為321K，最低溫度為310K，均在電池合適的工作范圍內(nèi)。

圖7 冷液作用下的表面溫度云圖（K）

3 結(jié)語(yǔ)

該文以某種動(dòng)力電池包為研究對(duì)象，建立了電池一維傳熱模型和三維傳熱幾何物理模型，利用有限元仿真軟件分析了不同流速下電池內(nèi)部壓強(qiáng)以及溫度分布云圖，驗(yàn)證了電池設(shè)計(jì)的合理性。后續(xù)還有問(wèn)題需要持續(xù)進(jìn)行研究，主要包括以下方面。1）此次研究對(duì)象僅是電池箱的一部分模組，在以后的研究中，在設(shè)備能達(dá)到這種計(jì)算能力的話，可以嘗試整個(gè)電池包的溫度場(chǎng)的分析。2）仿真研究結(jié)果終究不是真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，獲得的分析結(jié)果并不一定正確，所以在有條件時(shí)還需要進(jìn)行試驗(yàn)，把得到的溫度場(chǎng)、壓力值、管道速度值等分析結(jié)果與仿真得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，如果誤差不超過(guò)5%，那么仿真結(jié)果會(huì)更加可信。3）對(duì)液冷結(jié)構(gòu)的冷卻管道部分進(jìn)行優(yōu)化后再做比較，進(jìn)行仿真分析，得到較好的液冷結(jié)構(gòu)。