動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其場(chǎng)協(xié)同優(yōu)化

成亞仙，霍為煒，郭陳棟，王 剛

（1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.新能源汽車北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；3.中國質(zhì)量認(rèn)證中心，北京 100070）

1 引言

動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車的主要元件構(gòu)成，其工作溫度對(duì)于電池的使用性能有很大影響［1］，在合理的溫度工作范圍內(nèi)有助于增長電池使用壽命［2］。因此，設(shè)計(jì)良好的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，可以保證電池在特殊工況與環(huán)境下仍維持在合適的工作溫度［3］。

目前電池組冷卻方式［4］有風(fēng)冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻等。液冷系統(tǒng)由于其良好的冷卻效果和比較成熟的控制方法使其成為熱管理方式最具商業(yè)化的其中之一［5］，也是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。文獻(xiàn)［6］使用電子閥門技術(shù)比較串聯(lián)和并聯(lián)冷卻液回路，為平行的冷卻液回路提供了一種新方法，該方法縮小了不同模塊中電池的溫度差異。文獻(xiàn)［7］研究發(fā)現(xiàn)調(diào)整與優(yōu)化冷卻液溫度和流速等參數(shù)可以將電池組表面溫度和溫差降低，在5C倍率放電時(shí)效果為最佳；文獻(xiàn)［8］研究的電池模塊液冷系統(tǒng)為一種蜂巢式結(jié)構(gòu)，該電池模塊呈蜂巢式液冷板的結(jié)構(gòu)上面設(shè)有進(jìn)出口，使冷卻管道和電池組之間為360°環(huán)繞間接接觸，大幅度加強(qiáng)了換熱效果；文獻(xiàn)［9］通過改變液冷系統(tǒng)的冷板布置，使主散熱方向上的導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)化至6W（/m·k）以上來增強(qiáng)電池冷卻系統(tǒng)的散熱效果。綜上所述，眾多研究者是根據(jù)冷板散熱裝置結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化的角度來分析電池冷卻系統(tǒng)的散熱效果。

以磷酸鐵鋰電池組為研究對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFD［10］建立鋰離子電池組和液冷管道三維模型，通過對(duì)冷卻管數(shù)量、冷卻液入口溫度、流速和管道入口分布四個(gè)變量下的電池組溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，從場(chǎng)協(xié)同原理分析速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)電池散熱的協(xié)同作用，進(jìn)而得出該液冷系統(tǒng)的冷卻效果。

2 場(chǎng)協(xié)同原理介紹

文獻(xiàn)［11］針對(duì)傳統(tǒng)傳熱學(xué)關(guān)于強(qiáng)化傳熱的理論，從流場(chǎng)和溫度場(chǎng)兩個(gè)矢量場(chǎng)自身和相互之間配合的角度，提出關(guān)于強(qiáng)化傳熱的新理論—場(chǎng)協(xié)同原理。

二維層流邊界層的方程為：

壁面處的熱流積分為：

式中：ρ、cp、λ—流體密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)；u、v—x和y方向的速度；T—溫度；δt—邊界層厚度。

局部場(chǎng)協(xié)同角，利用下式求解：

體積平均協(xié)同角：

場(chǎng)協(xié)同示意圖，如圖1所示。速度與溫度梯度完全協(xié)同的兩種情況：圖1（a）中協(xié)同角為0°，流體加熱；圖1（b）中協(xié)同角為180°，流體冷卻。

圖1 場(chǎng)協(xié)同示意圖Fig.1 Field Synergy Diagram

3 動(dòng)力電池模型建立

以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，單電池容量為19.6Ah。對(duì)磷酸鐵鋰電池計(jì)算模型進(jìn)行簡化，簡化后的模型僅保留電池正負(fù)極端、電池芯等部分，電池單體長寬高為（160×7.25×227）mm，質(zhì)量0.496kg。將10個(gè)單電池組成一個(gè)動(dòng)力電池組，其結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 電池散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Battery Pack Structure Model

箱體的長寬高為（180×140×247）mm，電池與電池之間留有5mm空隙。電池的熱物性參數(shù)，如表1所示，其中，λx、λy、λz為x、y、z三個(gè)方向上的平均導(dǎo)熱系數(shù)，冷卻液參數(shù)［12-13］，如表2所示。電池散熱系統(tǒng)采ICEM軟件劃分為六面體網(wǎng)格，如圖3所示?？偩W(wǎng)格數(shù)量約為100萬個(gè)。

表1 電池的熱物性參數(shù)Tab.1 Thermal Physical Parameters of the Battery

表2 冷卻液的熱物性參數(shù)Tab.2 Thermal Physical Parameters of the Coolant

圖3 電池組網(wǎng)格模型Fig.3 Battery Pack Mesh Model

外界初始溫度為25℃，液體流動(dòng)模型為k-ε湍流模型。邊界條件有：入口、出口和固體壁面邊界。流體與固體的接觸面為流固耦合傳熱邊界，冷卻液入口為速度入口，冷卻液出口為壓力出口。電池為發(fā)熱源，對(duì)于其內(nèi)源熱的設(shè)定，在fluent軟件中對(duì)其產(chǎn)熱量設(shè)定通過UDF程序編譯。

4 仿真分析及參數(shù)優(yōu)化

通過調(diào)整冷卻管道數(shù)量、冷卻液入口溫度、流速和流道分布等四個(gè)參數(shù)，對(duì)冷卻模型進(jìn)行仿真，利用場(chǎng)協(xié)同原理［14］仿真分析以上變量對(duì)電池液冷系統(tǒng)冷卻性能的影響。

4.1 冷卻管道數(shù)量對(duì)冷卻性能的影響

在不改變管道接觸的散熱面積，僅改變冷卻管數(shù)量的前提下，一般液冷系統(tǒng)的冷卻管以6根居多，為了研究冷卻系統(tǒng)的散熱均勻性設(shè)置其數(shù)量分別為6、8、10根。模型中6根散熱管道結(jié)構(gòu)，如圖4所示。仿真得到電池模組截面溫度云圖，如圖5所示。在不同管道參數(shù)下仿真得到的溫度數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 不同管道數(shù)量溫度數(shù)據(jù)Tab.3 Temperature Data of Different Number of Cooling Pipes

圖4 6根冷卻管道模型圖Fig.4 Model Diagram of 6 Cooling Pipes

圖5 電池組在6、8、10根冷卻管道下的溫度云圖Fig.5 Temperature Contours of Battery Module in 6，8 and 10 Cooling Pipes

從表3中可以看出，8根冷卻管系統(tǒng)的電池組表面溫度最小為37.72℃，而溫差最小的是10根冷卻管道為4.46℃。從冷卻效果來看，冷卻管道數(shù)量增加與電池溫度降低并不是呈正相關(guān)。這是由于冷卻管道與電池表面接觸面積分布均勻使電池組表面溫度不易下降，而冷卻液在電池組表面分布越均勻其溫差便會(huì)越小。可以觀察到電池組降溫效果最佳為8根管道，溫度分布最均勻?yàn)?0根管道，該結(jié)構(gòu)具有較好的一致性。

4.2 冷卻液溫度對(duì)冷卻性能的影響

將液冷系統(tǒng)入口流速設(shè)定為1L/min，在上述模型中選取10根冷卻管道的散熱結(jié)構(gòu)，如圖6所示。其溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。其中①處為溫度與協(xié)同角最高點(diǎn)，故選取它來進(jìn)行研究對(duì)比。對(duì)冷卻液溫度在15℃、20℃、25℃時(shí)仿真，其仿真結(jié)果，如圖8所示。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.7 Distribution Map of Monitoring Points

圖8 不同溫度下電池組溫度云圖Fig.8 Temperature Contours of Battery Module with Different Temperatures

由圖8可知，在一定范圍內(nèi)，冷卻液溫度降低與電池模組的最高溫升呈負(fù)相關(guān)；由表3可知，電池組表面的最高溫度分別為34.24℃、37.72℃、39.59℃。由此可知，降低冷卻液溫度可以有效減小電池組表面溫度，但也放大了電池組內(nèi)部的溫差，因此無法完全改善電池組的整體冷卻效果。

不同冷卻液溫度下，協(xié)同角在中心截面的分布，如圖9所示。從圖中可以看出，整體電池組截面的協(xié)同角普遍偏大，電池組內(nèi)部熱對(duì)流現(xiàn)象還有巨大優(yōu)化空間。根據(jù)式（3）對(duì)截面進(jìn)行積分可以得到不同流速下電池組平均協(xié)同角，如表4所示。如表所示，隨著冷卻液溫度降低，溫度梯度與速度的夾角在減小。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)①處不同冷卻液溫度數(shù)據(jù)Tab.4 Temperature Data of Different Coolant at Monitoring Point

圖9 電池中央截面的協(xié)同角分布Fig.9 Synergistic Angular Distribution of the Central Section of the Battery

4.3 流量對(duì)冷卻性能的影響

為了研究冷卻液流量對(duì)該電池組液冷系統(tǒng)冷卻性能的影響，將冷卻液入口流量分別設(shè)定為1L/min、1.5L/min、2L/min。仿真結(jié)果，如圖10所示。

圖10 不同流量下電池組溫度云圖Fig.10 Temperature Contours of Battery Module with Different Flow Rates

由圖10可知，在冷卻液流量持續(xù)增加中，該電池組的表面溫度整體在下降，冷卻性能也逐步得到提高。隨著冷卻管道中液體流量的增多，冷卻液的流速也隨之提高，冷卻液中的熱交換能力也得到了提升。

不同流速下的溫度對(duì)比，如表5所示。當(dāng)流量為1L/min通過1h 放電的模組時(shí)，最高溫度達(dá)到39.59℃，流量為1.5L/min 時(shí)為36.52℃，流量為2L/min時(shí)達(dá)到34.17℃。電池組溫度隨著冷卻液流量的增加而降低，變化趨勢(shì)基本上保持不變；溫差隨著流量的增加而緩慢升大。

表5 不同流速下溫度數(shù)據(jù)Tab.5 Temperature Data at Different Flow Rates

這是因?yàn)殇囯x子模塊和冷卻液之間的熱交換隨著冷卻流量的增加趨于逐漸平衡反應(yīng)，有效在一定程度上增大流量改善該電池組的冷卻效果。

協(xié)同角在電池中央截面的分布，如圖11所示。從圖中可以看出，在層流領(lǐng)域隨著流量的增大，冷卻管中液體的流速矢量和溫度梯度矢量的協(xié)同角有所降低，有利于電池組通過增進(jìn)流量進(jìn)行散熱。

圖11 不同流量下協(xié)同角的分布Fig.11 Synergistic Angular Distribution in Different Flow Rates

4.4 不同流道對(duì)冷卻性能的影響

根據(jù)冷卻管道流體的協(xié)同分析可知，在不改變流道結(jié)構(gòu)的情況下，只增加管道流速，換熱強(qiáng)度的增加并不明顯。因此，本節(jié)在場(chǎng)協(xié)同理論的指導(dǎo)下采用并行式多流道的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。其模型結(jié)構(gòu)為s串行和多s并行來實(shí)現(xiàn)多入口形式。

三種冷卻液出入口流道結(jié)構(gòu)，如圖12所示。

圖12 不同流道結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structural Diagram of Different Flow Channels

當(dāng)采用三入口結(jié)構(gòu)時(shí)，電池組溫度分布合理性明顯優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)，如圖13所示。不同進(jìn)出口結(jié)構(gòu)下溫度數(shù)據(jù)比較，相比單入口結(jié)構(gòu)，三入口結(jié)構(gòu)最高溫度與內(nèi)部最大溫差均為最佳，如表6所示?？梢娫谝欢ǚ秶鷥?nèi)，多入口模式有利于電池組溫度均勻性以及電池冷卻。

表6 不同進(jìn)出口結(jié)構(gòu)溫度數(shù)據(jù)Tab.6 Temperature Data of Different Inlet and Outlet Structures

圖13 電池組溫度云圖Fig.13 Temperature Contours of Battery Module

5 結(jié)論

在所建立的原模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同冷卻管道流道。通過對(duì)不同流道結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行仿真，以及調(diào)整冷卻液流量、冷卻液溫度、流道進(jìn)出口參數(shù)，結(jié)果表明：冷卻液溫度和流量參數(shù)對(duì)冷卻效果影響較大，在一定范圍內(nèi)，合理冷卻液降低溫度與增大流量可降低電池組表面的最高溫度。

通過仿真可以得出，冷卻液進(jìn)口多的方案能夠在一定程度上減小該電池組的最大溫差。

最后，根據(jù)場(chǎng)協(xié)同原理，詳細(xì)地闡述了在不同的流量、不同冷卻液溫度下，對(duì)并行式多流道的冷卻性能，對(duì)于單流道進(jìn)行了解釋；分析和優(yōu)化了多進(jìn)出口電池模型的冷卻性能，為動(dòng)力電池液冷協(xié)同設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。