基于微通道蛇形冷板的圆柱形电池热性能研究

谢忱创

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆400074）

主题词：电池热管理 蛇形液体冷却板 最高温度 最大温差 压力损失

0 引言

近年来，随着全球汽车保有量持续增长，导致了一系列诸如能源短缺和环境污染等问题的出现。由于混合电动汽车(HEV)与纯电动汽车(EV)的出现，用电动机替代传统内燃机，减轻了对化石燃料的依赖并减少了对环境的污染，从而使得绿色出行成为可能[1-3]。在电池材料的选择中，锂离子电池与镍铬、镍金属氢化物电池相比，具有高能量密度、无记忆效应、低自放电率以及优异的储能循环寿命和对环境的协调等优势，深受汽车制造商的青睐[4-7]。温度是锂离子动力电池最重要的影响因素，受安放电池组的空间限制，电池排列紧密，因而在车辆运行时，电池组会释放大量热量，堆积的热量使得电池组温度升高，车用电池组内外单体电池长期受热不均，导致了电池组发生热失控，进而引发了电池短路，破坏了电池的同一性，电池性能降低，更甚者会发生破裂，起火和爆炸[8-14]。为了提高电池组的使用安全性，锂离子电池的工作温度应保持在25 ℃～40 ℃之间，电池组中电池间的最大温差不超过5 ℃[15]。

世界上许多学者在电池热管理系统(BTMS)结构设计方面做了许多研究和积累，包括建立热模型、冷却方式和冷却材料的研究等。对于目前的BTMs 的冷却方式（介质）而言，主要包括空气冷却[16-18]、液体冷却[19-23]、相变材料（PCMs）冷却[24-25]和热管冷却[26]。相较于空气冷却、PCM 材料冷却及热管冷却而言，间接液体冷却具有导热系数大、冷却效率高、结构紧凑排列方便、冷却材料轻便、结构多样、空间利用率高等优点，适用于大容量电池组散热[27-29]。

目前，为方形锂离子电池设计的液冷系统很多，为圆柱形锂离子电池设计的液冷系统很少。Huo等人[30]设计了一种基于微通道冷板的电池热管理系统来冷却方形锂离子电池，建立了冷却系统的三维模型，研究了放电过程中通道数量、流向、入口质量流量和环境温度对电池最高温度与最大温差的影响。Basu 等人[31]构建并模拟了Li-NCA/C 电池组的三维电化学耦合热模型，描述了一种新颖的液冷TMS，电池周围用铝传导热元件包裹，铝传导热元件连接到装有冷却液的铝通道，通过热传导将电池产生的热量带走。Zhao等人[32]建立了由71个18650型锂离子电池组成的电池模块热模型，研究不同放电倍率、液体流速，相邻之间的热交换面积以及电池与通道外壁的接口面积对电池模块的影响。Rao等人[33]设计了一种基于液体冷却的可变接触面圆柱形锂离子电池模块热管理系统，以模拟的方式研究了铝块的长度和流速对电池组热性能的影响，还研究了3种可变接触面类型，并将其性能与恒定接触系统进行比较。

增加微通道中传热系数的一种方法是使用波浪形壁而不是直壁，因为在波浪形壁微通道中，流动具有复杂的行为，与直微通道相反，在波浪形壁微通中存在再循环区和回流，速度矢量不平行于壁。雷诺数和几何参数的变化导致回流区的形状、大小以及二次流强度的变化[34]。前人在圆柱形电池热管理上，大量研究了液冷板与圆柱形电池接触面积、不同液体流速、不同放电倍率因素对电池热性能的影响，而对液冷通道与冷板的高度占比、通道数量以及不同流向的综合因素研究甚少。本文设计一种基于微通道蛇形冷板的电池热管理系统，用于冷却圆柱形锂离子电池。

1 模型与方法

1.1 物理问题

图1(a)是本文研究的锂离子圆柱形电池组示意图，图中每排锂离子电池都由2个蛇形冷板包裹，电池编号如图(b)表示。在该结构设计中蛇形冷板与圆柱形电池有最大接触面积，结构更加紧凑，并且增加了传热面积。电池的几何尺寸表1 所示，图2 是电池组尺寸示意图。D1，D3 分别表示在同一个蛇形冷板上2个液冷通道之间的距离与液冷通道至冷板顶端的距离。液冷通道高度与宽度分别为D2，D5。D4是蛇形冷板高度，宽度由D6 表示。D9 表示整个电池模型长度，D7 是电池直径，D8 是电池直径与2个冷板宽度之和。为了计算简单，电池由单一材料组成，蛇形冷板材质是铝，冷却剂是水，电池、冷却剂、冷却板的热物理参数如表2所示。

图1 锂离子圆柱电池

表1 冷却系统模型的尺寸 mm

表2 仿真模拟参数

运用ICEM(CFD)软件对模型进行网格划分，图3表示液冷通道与冷板高度占比为0.4 的网格划分，在该占比下网格数量是3522128，随着通道高度占比不断增加，网格数量逐渐减小，从图3中可以看到，蓝色区域是蛇形冷板网格，棕色区域是电池网格，并对局部进行放大展现。为了确保网格之间的传热质量，所有接口都是耦合的，电池组模型在X,Y,Z 轴上的网格尺寸相同。采用ANSYS FLUENT15.0 进行计算，对于模拟的边界条件，这里设定入口质量流量进口与压力出口。冷却剂的初始温度为26.75 ℃，液冷通道的出口压力设定为0。定义电池组放电倍率为3 C。

图2 电池模型几何形状

1.2 电池生热机理

对于锂电池工作生热实际上是电池内部进行电化学反应产生的热。锂离子电池生热具体分为：反应热Qr、焦耳热Qj、副反应热Qs和极化热Qp，所以锂电池产生的总热量Q可表示如下方程(1)所示。

反应热由于电池内部的化学反应是可逆的，锂离子在正极和负极分别进行嵌入和脱嵌，在此过程会有热量的产生。焦耳热指电池中的极柱、电解液、隔膜都有或多或少的内阻，这些内阻在充放电过程中会发生焦耳效应，从而产生焦耳热量，而且这是主要的热量来源。副反应热一般都是在极端条件下，如过充过放电才会产生，一般都是电解液分解或者是正负电极材料分解。只不过副反应热产生的热量相比其它热量很微小，可以忽略不计。电池在放电过程中，电流通过电池，使电极偏离了平衡电极电位的现象，称为电极极化。极化现象导致出现电位差，有极化电阻的产生，极化引起的能量损失即为极化热[27]。

1.3 能量守恒方程

电池的能量守恒方程可以表示为：

其中ρb，cpb，和λb分别表示电池的密度，比热容和导热系数，具体数据已在表2中展示。对于Tb表示电池的温度，q表示单位体积电池的产热量。同理冷板的能量守恒方程可表示为：

其中ρc，cpc，和λc分别表示电池的密度，比热容和导热系数。而Tc则表示冷板的温度。

本文所用的冷却介质是液态水，所以液冷通道中水的能量守恒方程表示。

其中ρW、cpW和λW分别表示冷却剂的密度、比热容和导热系数。TW表示冷却剂的温度，冷却剂的速度矢量由v⇀表示。冷却剂的质量与动量守恒方程可表示为：

其中P是静态压力。

2 结果与讨论

2.1 液冷通道不同高度占比的影响

本文设计了8种液冷通道与蛇形冷板不同高度占比如表3所示。图4中每个液冷通道冷却剂流向都相同为基础模型。通过改变液冷通道高度，增加或减小冷却剂对冷板的接触面积，讨论了电池在不同液冷通道高度占比下的温度(T)、最高温度(Tmax)与最大温差(∇T)，用以上参数来评价电池组最优冷却效果。

根据第2 章对模型边界条件的设定进行模拟分析，从图5(a)中可以看出液冷通道与冷板不同高度占比下电池组中电池温度变化，编号1的电池单元温度最高，但由于不同液冷通道高度占比之间的电池温度都很相近，对最优液冷通道高度占比工况不易看出，所以对编号1的电池单元在不同液冷通道高度占比下的温度分布进行局部放大。在放大图(b)中明显看出液冷通道高度占比0.8的电池Tmax最低。由于在不同液冷通道高度占比下Tmax相差约0.4 ℃，Tmax对冷却性能的影响很小，所以通过图5(c)与图6 结合电池的ΔT、ΔP和温度云图来选择最优液冷通道高度占比。从图5中可以看出电池组ΔT随着液冷通道占比的减小而减小，ΔP则随着液冷通道高度占比的减小而增大，在液冷通道占比0.1时电池组ΔT最小，ΔP最大，通过曲线走势ΔP在液冷通道高度占比0.4 时开始减缓，在压力损失相差不大的情况下选取最小的ΔT。综上所述选取合适工况为液冷通道与冷板高度占比0.4。该工况的最高温度40.89 ℃，最大温差10.34 ℃，单个通道压力损失106.88 Pa。

图4 液冷通道的冷却液流向

表3 液冷通道与蛇形冷板的不同高度占比

2.2 冷却液不同流向的影响

本文设计了图7所示的4种冷却剂不同流向。图8(a)(b)展示了在不同流向下的T、Tmax、ΔT，观察看到所有流向的最高温度都超过40 ℃，Case 1与Case 4最大温差超过5 ℃。在Case 1基础上改变所有蛇形冷板上方液冷通道的冷却剂流向，得到Case 2 工况，它是上下液冷通道冷却剂流向不同，在X轴正方向上电池组的上下液冷通道进出口刚好错开。对比基础工况，它的最高温度升高了2.395 ℃，最大温差降低5.591 ℃。在基础模型上改变中间蛇形冷板液冷通道冷却剂流向，得到Case 3工况，与Case 1相比，它的最高温度降低了0.789 ℃，最大温差降低了6.852 ℃，冷却效能大幅提升。

图5 液冷通道不同高度占比对电池的影响

值得注意的是，对于Case 4 工况是由Case 2 改变中间蛇形冷板液冷通道上下流向所得。上方冷却剂流向由左进右出变为右进左出，下方冷却剂流向由右进左出变为左进右出，得到Case 4就是所有液冷通道冷却剂流向都不相同。该工况的最高温度44.49 ℃，是4 种不同流向工况中最大的，最大温差相对比Case 1 降低了4.783 ℃。对比Case 2 与Case 3，它对电池组的冷却性能较差。

综上所述，Case 3 是最优工况，该工况最高温度40.105 ℃，最大温差3.487 ℃，该参数值中只有最大温差满足规定的5 ℃之下。

2.3 不同入口质量流量的影响

图9 所示分别考虑了入口质量流量为6×10-4kg/s ， 9×10-4kg/s ， 12×10-4kg/s ，15×10-4kg/s ，18×10-4kg/s 。随着入口质量流量增大，电池组的T、Tmax、ΔT逐渐降低，而ΔP逐渐升高。当入口质量流量为6×10-4kg/s 时，最高温度超过40 ℃，所以该入口质量流量不可取。观察图9(b)的温度参数与压力损失变化趋势及图10 温度云图变化状况，在入口质量流量为12×10-4kg/s 之后，最高温度与最大温差曲线图开始变缓，而压力损失则开始递增。与入口质量流量为15×10-4kg/s 相对比，最高温度升高了1.139 ℃，最大温差升高了0.275 ℃，温度变化波动不大，但是压力损失减少了240.47 Pa，降低了水泵做功所消耗的电能，使电动汽车有更长的续航里程。综上所述，在入口质量流量15×10-4kg/s 为合适的工况，该工况电池组最高温度33.441 ℃，最大温差1.276 ℃，单个通道压力损失427.51 Pa。

图6 不同高度占比下相同冷却剂流向的所有液体冷却通道的温度云图

图7 冷却剂不同流向类型

图8 不同冷却剂流动方向的温度变化

表4 不同入口质量流量下电池组的温度和压力损失。

图9 不同入口质量流量

图10 不同入口质量流量下电池组温度云图

3 结论

本文首先建立所有液冷通道冷却剂流向相同为基础模型。在入口质量流量6×10-4kg/s，环境初始温度26.75 ℃下，通过改变液冷通道高度与蛇形冷板高度占比，一共有8种不同液冷通道高度占比工况。由于液冷通道与冷板高度不同占比对冷却性能的影响不大，在这里选出合适工况是液冷通道与冷板高度占比0.4，它的最高温度40.89 ℃，最大温差10.34 ℃，单个通道的力损失106.88 Pa。在液冷通道与冷板高度占比0.4前提下，改变冷却剂流动方向，共4种流向，通过对比分析，得出相邻隔板间液冷通道冷却剂不同流向(Case 3)为最佳流向。该工况的最高温度是40.105 ℃，最大温差是3.487 ℃，比基础工况Case 1 相比，最大温差降低效果显著。最后改变入口质量流量，在不同的入口质量流量下观察电池工作温度及压力损失的变化，考虑到电池的能耗与寿命，选择合适的入口质量流量为12×10-4kg/s，电池组的最高温度33.441 ℃，最大温差1.276 ℃，单个通道压力损失427.51 Pa。

综上所述，与电池组在3 C放电倍率下，液冷通道占比0.4，所有冷却液流向相同，入口质量流量为6×10-4kg/s 的基础工况相比较，电池组的最高温度降低了7.449 ℃(18.22%)，最大温差降低了9.064 ℃(87.66%),单个通道压力损失增加了320.63 Pa(75.35%)。

本文主要是在蛇形冷板的基础上采用双液冷通道、改变液冷通道占比、液冷板不同冷却液流向对电池组热性能的研究，发现可以通过对液冷系统的布置来优化电池组的温度，保证电池组在安全性、行驶里程、均温性方面有所改善。

在未来的电池热管理中，应该着重对冷却系统的控制、冷却材料的选用进行研究。在电池热管理领域，大多数研究的是电池组的散热性能，而对寒冷的环境温度下电池组的加热性能研究甚少，所以研究的目的就是让电池组在恒定的温度环境下运行，受外界环境温度影响小，增加电池组的续航里程，增加电池的寿命，提高电动汽车的安全性。