液冷式锂离子电池组可靠性分析及优化设计

刘 岩，肖 纯，伍 炜，王雯静，万 昱

（1武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070；2佛山仙湖实验室，广东 佛山 528200）

近年来，新能源汽车因其低能耗、低污染等优势，受到了人们的青睐[1-2]。锂离子电池凭借高能量密度、高功率、低自放电率等优良性能，成为新能源汽车动力电池的首选[3-4]。常规车用锂离子电池工作的安全温度上限为80 ℃，其在充放电过程中产生的热量如不能及时排出，易造成电池组温度叠加[5]。若电池组的工作温度可控制在20～40 ℃，温差低于5 ℃，即电池组具有较高的温度一致性，可保证电池组处于最佳的性能状态[6-7]。

根据冷却介质的不同，电池组的冷却类型可分为三种：相变材料(PCM)冷却、空气冷却及液体冷却。相变材料冷却的原理是在每个电池单元间隙中填充一定量的PCM，当PCM经历相变时，可吸收电池组的热量，劣势是此过程中对散热系统的控制及运行存在一定的难度且相变材料的稳定性及导热性较差[8-9]。空气冷却的原理是利用流动的空气与电池组的外表面直接接触，以降低电池组温度，劣势为其导热系数及热容量较低，不适合应用于对安全性能有较高要求的汽车中[10-11]。液体冷却具有换热系数高、温控效果好等特点，其原理是利用冷却液直接或间接接触电池，以达到降低电池组的整体温度的目的，在相同的流量下，液体冷却比空气冷却具有更好的冷却效果[12-13]。有研究表明，采用液体冷却的方式对电池组最高温度及温度均匀性的控制均有很好的效果[14-15]。

石墨烯是一种二维碳纳米高导热材料，在理想情况下，单层石墨烯的导热系数甚至高达5300 W/(m·K)，相较于传统的散热材料，石墨烯薄膜具备优异的热传导性质及良好的化学稳定性[16]。石墨烯薄膜凭借其优异的面内热导率，可将单电池产生的热量实现水平方向上的快速传递，消除局部过热问题，使电池组整体热量分布均匀[17]。其优异的导热性能吸引了众多学者的目光，现已在智能设备、电子元器件等众多领域中取得了广泛的应用。

电池作为电动汽车唯一的动力来源，其可靠性将直接影响驾驶的安全性[18-19]。本工作通过优化液冷通道及应用石墨烯薄膜，旨在设计出一种具有良好热管理性能的电池组，以实现电池组的整体温度及温度一致性处在合理范围内。

1 液冷式锂离子电池组的结构设计

本工作的基础模型是模拟了新能源汽车中圆柱形18650 型锂离子电池及棱柱形电池的封装结构。对于液冷式锂离子电池组的散热，冷却翅片内的冷却通道发挥着重要作用。传统的蛇形冷却通道在电池组液冷装置中较为常见，冷却液从冷却翅片入口处流入，吸收来自电池组的热量，然后从出口流出。本工作设计了一种新型的双倒U 形的冷却通道，冷却液可从冷却翅片的两个入口处同时流入，后在同一个出口处汇合流出，即双输入单输出的液冷式结构，如图1所示。体积浓度为50%的乙二醇水溶液具有较低的冰点及较大的比热容等优势，选其作为冷却通道内的冷却液。

图1 液冷微型通道Fig.1 Liquid-cooled microchannels(a)Snake shape;(b)Double inverted U shape

为简化计算，本工作选择了3只单体电池进行设计，每只单体电池含两只棱柱电池和一个冷却翅片，具体结构如图2所示。

图2 单体电池结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the structure of a single battery

本工作利用有限元仿真软件构建了蛇形和双倒U形两种不同冷却通道的锂离子电池组的三维物理模型，尺寸均为：宽度226 mm×深度30 mm×高度140 mm，其中采用了双倒U 形冷却通道的电池组如图3所示。

图3 液冷式电池组Fig.3 Liquid-cooled battery pack(a)Structural diagram;(b)Simulation model diagram

2 液冷式锂离子电池组的仿真研究

2.1 仿真步骤及原理

本节以采用双倒U形冷却通道的液冷式锂电池组为例，基于有限元软件仿真步骤如下。

（1）建立三维模型。每块棱柱电池的尺寸为：宽度200 mm×厚度4 mm×高度120 mm，冷却翅片的尺寸为：宽度200 mm×厚度2 mm×高度120 mm，冷却通道的厚度为1 mm。

（2）网格化模型。选择自由四面体网格进行分割构建。共含1539781 个域单元、266630 个边界单元和20360个边单元，划分结果如图4所示。

图4 液冷式锂离子电池组网格划分结果Fig.4 Liquid-cooled Li-ion battery pack meshing results

（3）流体边界条件设定。设定冷却液入口温度及环境温度为25 ℃，截面入口处流入总流量均为0.3 cm3/s，即每个冷却翅片冷却通道入口处的平均流量为0.1 cm3/s。雷诺数计算公式见式(1)。

ρ、v、μ分别为流体的密度、流速与黏性系数，d为特征长度[20]。液冷通道中的雷诺数小于2300，判定冷却液是层流流动，对电池组中流体添加层流物理场。根据牛顿冷却定律，冷却通道与冷却液之间的对流边界条件如式(2)所示。

其中Φ是冷却通道与乙二醇水溶液之间的热对流，h是对流传热系数，A是冷却通道与冷却液之间的接触面积，Tc和Td分别是冷却通道和冷却液的温度。

（4）电池生热条件设定。电池组中的6只棱柱电池均可视为均匀的体热源，Bernardi等人开发的电池生热率公式如式(3)所示，其中q表示电池的发热率，v为单个电池单元的有效计算体积，I为电池工作电流，充电时为正，放电时为负。T为当前电池的热力学温度，U为电池在平衡状态时的开路电压，∂U/∂T为温度系数[21]。

对棱柱电池做以下假设：①电池的热容量恒定；②不考虑电池内部的对流和热辐射。圆柱形18650型锂离子电池凭借其成熟及稳定的优势多应用于电动汽车中，故将其比总损耗值Qh作为棱柱电池的热源数值，并将电池组的放电负载的放电倍率设为6。其中，18650 型锂离子电池的比总损耗值Qh的计算如式(4)所示，其由锂离子电池一维模型的体积热源Qh1与两个因子相乘取得，第一个因子是产生热量的总一维模型的分数，第二个因子为产生热量的总三维圆柱电池几何形状的分数，具体符号说明及参数如表1所示。

表1 18650型锂离子电池符号说明及参数Tabel 1 18650 type Li-ion battery symbol description and parameters

（5）电池传热条件设定。棱柱电池的导热系数具有各向异性的特征，沿宽度和高度方向(X、Z方向)热量传递方式为各层并联，沿深度方向(Y方向)热量传递方式为各层串联，不同方向的导热系数计算如式(5)和式(6)所示。

其中λX、λY、λZ分别表示电池沿X、Y、Z三个方向的等效导热系数，li是单电池不同层的厚度，λi为各层材料的导热系数。由等效导热系数计算公式，设定棱柱电池的导热系数值，λX和λZ设定为29.55 W/(m·K)，λY设定为0.9 W/(m·K)。

电池组表面绝缘效果较差会造成热量损耗，将其表面的热通量设置为0.5 W/(m2·K)。

（6）执行热仿真。在仿真过程中，电池组产生的热量通过直接接触传递到冷却翅片，这部分热量被冷却翅片中的冷却液吸收。热量通过热传导的形式在电池组和冷却翅片之间传递。电池组的守恒方程见式(7)，冷却翅片的守恒方程见式(8)。

其中k和kp分别是电池组和冷却翅片的导热系数，ρ、C和T分别是锂离子电池的密度、热容量和温度，ρp、Cp、Tp分别是冷却翅片的密度、热容量和温度[22]。

2.2 仿真结果的比较分析

在相同的冷却液入口温度、流量、流速和棱柱电池数量的条件下，对蛇形和双倒U形冷却通道进行仿真，仿真结果如图5、6所示。

图5 电池组温度分布图Fig.5 Temperature distribution diagram of battery pack(a)Snake shape;(b)Double inverted U shape

采用传统蛇形冷却通道散热的电池组，其最高温度为63.5 ℃，温差为24.1 ℃，锂离子电池释放的热量将被蛇形通道内的冷却液吸收，电池组表面温度自入口至出口逐渐升高，最高温度出现在冷却液的出口处；冷却通道内的最大压力为1063 Pa，出现在冷却液入口处。若将其内部微型通道改进为双倒U 形，电池组最高温度可降至46.3 ℃，温差降至12 ℃，温度最高点位置转变至第三块和第四块棱柱电池接触的边缘中心；冷却通道内的最大压力为516 Pa，压力最大点位置不变。

图6 冷却通道内压力分布图Fig.6 Pressure distribution in the cooling channel(a)Snake shape;(b)Double inverted U shape

冷却翅片表面(y=4 mm)的温升情况如图7 所示，采用蛇形冷却通道散热的电池组，其温升最高为38 K。采用新型双倒U 形冷却通道散热的电池组，其温升在冷却液两侧入口处最低，为9.34 K，在冷却液出口最高，为20.8 K。

图7 冷却翅片表面温升分布图Fig.7 Distribution of temperature rise on the surface of cooling fins(a)Snake shape;(b)Double inverted U shape

综上所述，相比于传统蛇形冷却通道，双倒U形冷却通道具备更好的温度均匀性、更低的压力及温升分布，电池组的最高温度降低了17.2 ℃，温差降低了12.1 ℃，冷却通道内的压力降低了547 Pa，冷却翅片表面的温升降低了17.2 K，即采用了双倒U形冷却通道的电池组具备更高的可靠性。

3 基于双倒U形通道的可靠性分析

3.1 冷却液入口温度对电池组可靠性的影响

环境温度的改变会影响到电池组内冷却液入口温度。仿真冷却液入口温度在-10～60 ℃范围内锂离子电池组的表现情况，电池组的最高温度、温差变化及冷却通道内的压力变化情况如图8所示。

图8 入口温度对电池组的影响Fig.8 Influence of inlet temperature on Li-ion battery pack(a)Temperature and temperature difference;(b)Pressure

当电池组处在低温环境，冷却液入口温度为-10 ℃时，电池组的最高温度仅为27.5 ℃，而温差高达21.04 ℃，冷却通道内的压力高达1928 Pa。随着冷却液入口温度的升高，电池组内的整体温度呈上升趋势，温差及冷却通道内的压力呈下降趋势。当冷却液入口温度在10～35 ℃时，电池组的最高温度处在36.1～53.6 ℃、温差处在14.5～10.5 ℃、冷却通道内压力处在833.9～390.0 Pa，整体处于较合适的范围，能够较好地保证电池组的可靠性。

综上所述，低温及高温环境均不利于电池组保持可靠性。当冷却液入口温度在15～35 ℃范围内时，电池组的整体表现情况较好。

3.2 冷却液入口流量对电池组可靠性的影响

冷却通道中的流体需通过泵进行驱动，由泵的功率所决定的冷却液入口流量的大小会对电池组的整体表现情况产生影响。保持环境温度及冷却液入口温度为25 ℃，调整泵的驱动功率，使得冷却通道内的平均流量在0.05～0.50 cm3/s 的范围变化，仿真结果如表2所示。

表2 不同流量下电池组的表现情况Table 2 The performance of the Li-ion battery pack under different flow rates

当冷却液入口流量为0.05 cm3/s时，液冷通道内的压力较小，为256.8 Pa，此时电池组最高温度为65.6 ℃，温差高达16.2 ℃。冷却通道内平均流量的增加会加速热量的传递，电池组的整体温度、温差下降。当平均流量调整至0.35 cm3/s时，电池组的最高温度可降至31.4 ℃、温差为5.2 ℃，此时增大流量只会增加液冷散热装置的能量消耗，而散热效果却不再有明显的增加。

综上所述，在遵循实际工艺可行性的前提下，将冷却通道内平均流量从0.1 cm3/s增加至0.35 cm3/s，此时电池组的整体效果最好。电池组的最高温度降低14.9 ℃，温差降低6.8 ℃，电池组的可靠性得到提高。

3.3 冷却液入口温度对电池组可靠性的影响

3.3.1 石墨烯薄膜的加置

保持环境温度及冷却液入口温度为25 ℃、冷却液入口平均流量为0.35 cm3/s。选用厚度为50 μm、密度ρ为2000 kg/m3，恒压比热容为850 J/(kg·K)、横向导热系数为2000 W/(m·K)、纵向导热系数为20 W/(m·K)的石墨烯薄膜[23-24]。仿真在理想情况下进行，将其置于棱柱电池与冷却通道间，如图9所示。

图9 加置石墨烯薄膜的电池结构示意图Fig.9 Schemic diagram of battery adding graphene film

石墨烯薄膜可缓解电池组温度不均的问题，温差由原先的5.2 ℃降至4.9 ℃，结果如图10 所示，电池组的温度均匀性得到提高。

图10 应用石墨烯薄膜后电池组表面温度分布图Fig.10 Surface temperature distribution of battery pack after applying graphene film

3.3.2 石墨烯薄膜对于局部过热问题

电池组的中线位置易出现热量堆积从而造成局部过热问题，设定电池组中出现了3 处热量堆积，如图11所示，每处热点加载0.5 W的功率，仿真结果如图12所示。

图11 电池组内部出现的热量堆积Fig.11 Simulation results of heat buildup that occurs inside the battery pack

图12 温度分布图Fig.12 Simulation results of temperature distribution(a)without graphene;(b)with graphene

局部热量堆积会使电池组的整体温度上升，对于未加置石墨烯薄膜的电池组，其最高温度为35.9 ℃，温差为9.6 ℃；加置石墨烯薄膜后，电池组最高温度降低0.3 ℃，温差降低0.7 ℃。

综上所述，加置石墨烯薄膜可加速热传导，缓解局部过热问题，降低电池组整体温度的同时提高其温度均匀性。

3.4 优化前后对比

对采用双倒U形冷却通道的液冷式电池组进行调整及优化后，相比于优化前[图5(b)]，电池组的最高温度降低14.9 ℃，温差降低7.1 ℃。电池组工作在相同的功率条件下，其抵抗热冲击的能力得到提高。即在同等热流密度下，电池组的可靠性得以提高。

改变锂离子电池组的放电倍率，优化前后液冷式锂离子电池组中最高温度及温差变化如图13 所示。随着电池放电倍率增大，模块的最高温度及温差随之增大，优化后的液冷式锂离子电池组性能的改善效果更加明显。

图13 优化前后电池组对比Fig.13 Comparison of battery packs before and after optimization(a)Maximum temperature;(b)Temperature difference

4 结 论

本工作的优化设计目标是降低电动汽车动力锂离子电池组的整体温度及温差，提高电池组的温度均匀性，增加电池组的可靠性。从结构合理性、流体和传热等方面分析，采用蛇形及双倒U形两种液体冷却通道结构电池组的温度、压力及温升情况。通过对比两种冷却通道的仿真结果，选择冷却效果较好的双倒U形冷却通道作为待优化结构。在调整冷却液的入口温度及流量、应用高导热材料石墨烯薄膜后，优化后的液冷式锂离子电池组的整体温度降低，最高温度由46.3 ℃降低至31.4 ℃，降幅为32.2%；温度均匀性得到提高，电池组的温差由12.0 ℃降低至4.9 ℃，降幅为59.2%，提高了电池组可靠性。本工作的仿真研究工作为解决实际锂离子电池整体温度过高、温度不均匀等问题，以及提高新能源汽车行车过程中的安全性及耐久性提供了新的方法和思路。