全接触波浪形冷板及逆向流动对电池温度分布影响

2022-12-01张子庆戴博文张镕镳徐子顺

农业装备与车辆工程 2022年11期

张子庆，戴博文，张镕镳，徐子顺

（1.201804 上海市上海汽车集团乘用车技术中心；2.200093 上海市上海理工大学机械工程学院）

0 引言

锂离子动力电池具有循环寿命长、能量密度高、没有记忆效应等特点，被广泛应用在混合动力汽车和电动汽车以及一些电气设备中[1-2]。由于锂离子动力电池在使用过程中会产生大量的热量，电池组的温度总是会升高，极大地影响了电池组的使用寿命和使用安全性[3-5]，因此锂离子电池组的热管理对保证电池组的性能和安全起着重要作用，良好的散热是保证电池组正常工作、寿命、安全、可靠的关键。

电池组的冷却方式主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却[6]。液冷将电池组浸泡在冷却液中，对电池组的密封性要求极高，一旦发生碰撞车祸等，便有漏电的可能。相变冷却容易出现PCM 体积变化导致的冷却材料泄露，该热管理系统难以应用于大型电池组。热管冷却的加工工艺要求高，热管的材料使用的成本高，而且结构复杂安装难度高，抵抗冲击等突发情况的能力较差。以上缺点限制了上述冷却方式的普及[7]。与上述冷却方式相比，液体冷板冷却因其传热系数高、能耗低，被厂家普遍采用，常用于电池组的热管理[8]。李妮檜[9]等针对锂电池组研究了一种新型的铝板-水管-相变材料复合式的冷却装置，并进行了三维建模与仿真。比较了3 种冷却方式单独作用的数据，但所用的被实验对象是方形的，冷却装置也比较复杂，不易于推广；甘云华[10]等针对18650 锂离子电池设计的冷却装置，增大接触面积，散热效果较好，但是额外的体积较为庞大，急剧减少了车内可以放置电池组的有效空间，降低了当前条件下汽车的有效续航里程；朱茂桃[11]等选用了单侧平面电池冷板散热的方式，安装简单，占用体积不大，但是顶端的电池产热难以得到有效排除，存在较大安全隐患。因此，本研究选用曲面冷板紧贴每一枚电池进行散热的方法进行电池最高温度与最大温差的分析仿真。

本文建立电池包产热速率模型和电池热传递模型，通过ANSYS Workbench/Fluent 在水冷却条件下分析不同的流速流向对电池组温度场分布的影响。建立锂离子电池组三维散热模型，研究流体输入速度、流体输入方向对最大电池温度以及最大温差最小化的影响程度，给电池热管理设计提供参考。

1 仿真用电池模组参数

考虑到汽车动力电池组较大、研究时间较长以及成本过大，因此选用部分电池模块进行研究，研究结果为动力电池液冷散热系统设计提供参考。

根据电池包的设计进行电池模组参数确定。

1.1 电池模组单体数量确定

根据特斯拉实际使用的电池包，确定单体的数量和排列方式。经查阅得出单个电池模组由15 节和16 节单体组成满足设计需求，电池组采取交叉排列方式。但由于本研究设计的冷板针对每一排电池单独处理，故而在后续分析时只以15 节的单排电池为仿真对象。

1.2 电池模组尺寸确定

此次仿真在每排电池组外侧放置了一片液体冷板，冷板的尺寸如图1 所示。整个冷板由一个个圆弧波浪形拼接而成，圆弧间的连接处为直线型连接，整个冷板长为255 mm，厚度为1 mm，高与电池相同，为65 mm，圆弧外侧半径为7 mm，圆心距为17 mm。冷板材料选用铝制，冷却液选为水。

图1 冷板模组模型截面图Fig.1 Cold plate module model cross section

电池组的尺寸如图2 所示。整个电池包长为285 mm，宽为85 mm，高为75 mm。电池组之间以凹凸型相对连接。电池模组整体示意图如图2 所示。

图2 电池模组模型Fig.2 Battery module model

2 计算准备数据

2.1 数学模型

连续性方程为

冲量方程如式（2）—式（4）所示。

能量方程为

其中：ρ——空气密度；U——速度矢量；u，v，w ——U 在坐标系x、y、z 方向的分量；μ——空气动力粘度；对于粘度系数恒定的不可压缩流体，Sv=Su=Sw=0；ST——流体中的热源也是流体的机械能通过粘性作用转化为热能的部分；k ——空气热导率；Cp——空气比热容。

2.2 电池产热模型

利用Bernardi[12]提出的单位体积锂离子电池发热速率模型，产热速率q 用式（6）表示。

式中：V——电池体积；I——充（放）电流（放电时I<0，充电时I>0）；U0——电池开路电压；U1——电池端电压；dU0/dT——温度效应系数[13]，假定在0.5 mV/K 时恒定不变，U0-U1=IR，R 为电池内阻。散热模型的热物理参数如表1 所示。

表1 散热模型热物性参数Tab.1 Thermal parameters for heat dissipation models

根据Wang 等[14]的实验结果，在绝热环境下，使用NEWARE 电池测试仪（CT3008-5V30ANA），在5C（11 A）的快充过程中，测量一个商用18650 电池的发热情况。其中C 表示充放电速率，它是由充放电电流除以标称容量计算出来的。将3 个T 型热电偶（TC-TFF 2×0.25×1 000 mm，精度±0.1 ℃，美国）分别安装在电池的正、中、负极表面，用连接的安捷伦数据记录仪（34970A）采集温度数据。根据计算出的绝热环境下的内部热源，电池的发热率为7.65 W。如图3 所示，模拟的电池表面温度与Wang 等实验基本一致，最大偏差值仅为3.7%，这意味着这种模拟模型是合理的。因此，本次实验同样将电池的发热率定为7.65 W。

图3 电池充放电实验温度与仿真温度对比Fig.3 Comparison of experimental and simulated battery charging and discharging temperatures

2.3 分析方式与边界条件确定

将创建的几何模型进行网格化处理，定义边界条件和区域类型，并将输出的网格文件导入到Fluent 中进行分析和计算。热量是通过传导的方式从电池内部传递到电池表面的，直接贴合在电池表面的液冷板与电池表面的热传导进行散热以消除热量。又因为单体电池之间的热辐射非常小，且电池组几乎是封闭的，电池上下和冷却板外侧的对流散热非常有限，为了简化计算过程，可以忽略电池组的热辐射，并且将冷板外壁、电池上下端面与空气对流散热系数定为常数。为了避免角部产生负网格，将电池组和冷板以三角网格划分。进液口为速度入口，出液口为自由出口。其中，冷板外壁与空气对流散热系数为2.0，电池上下端面与空气对流散热系数为1.5。

3 实验结果和分析

3.1 进液口流速的影响

研究进液口流速的影响时，液体流动方向为双侧通向流动。图4、图5 分别为不同进液口流速时电池组的最高温度与最大温差分布情况。当入口流速为0 时，电池处于自然冷却状态，电池完全放电后，电池组的最高温度为324.7 K。该检测结果与汪缤缤等的实验结果[15]相差2.1℃，表明仿真结果合理，可继续仿真；当液体流速从0.005 m/s 逐渐增大至0.04 m/s 时，电池组的最高温度和最大温差都呈现下降趋势。可以看出，电池组的最高温度和最大温差都有随着液体流速的增加而减少，这一趋势在流速达到0.02 m/s时趋于平缓；当流速为0.04 m/s 时，电池组的最高温度降至301.361 K，最大温差降低至1.361 K。与自然冷却相比，最高温度下降了25.449 K。

图4 同向流动不同流速时电池组的最高温度Fig.4 Maximum cell temperature for different flow rates in the same direction

图5 同向流动不同流速时电池组的最大温差Fig.5 Maximum temperature difference of battery pack for different flow rates in the same direction

仿真结果表明，当流速较低时，从进液口流入的冷却水对第一节电池的冷却效果极好，但之后，随着冷却水不断帮助电池散热，自身的温度逐渐升高，散热效果也随之渐渐减弱。这一原理使得电池组的温度沿着从进液口到出液口的方向由低到高，使得整个电池组的最大温差较高。图6 为冷却水流速取0.005 m/s 时，电池组的温度仿真图。

图6 流速为0.005 m/s 的电池组温度Fig.6 Battery pack temperature at a flow rate of 0.005 m/s

当流速加快时，单位体积的冷却液自身受到每一节电池加热的效果减弱，故而对下一节电池的散热效果更佳，使得电池组的最高温度与最大温差都呈现随流速增加而下降的趋势。于此同时，由于流速的增加，单位体积的冷却液自身受到每一节电池加热的效果减弱这一结果并不会使得冷却水对电池的散热效果降低。

3.2 进液口流向的影响

本节研究进液口流速分别为0.005，0.010，0.015，0.020，0.025，0.030，0.035，0.040 m/s 时，进液口流向对系统冷却性能的影响。进液口流向为各侧同向和异向时，电池组的最高温度和最大温差的变化情况如图7 与图8 所示。与同向方案相比，异向流动方案的最高温度与最大温差减少程度具体数值见表2。

图7 同向、异向流动最高温度对比Fig.7 Comparison of maximum temperatures during isotropic and anisotropic flow

图8 同向、异向流动最大温差对比Fig.8 Comparison of maximum temperature difference during isotropic and anisotropic flow

表2 异向流动方案的最高温度与最大温差Tab.2 Maximum temperature and maximum temperature difference for anisotropic flow solutions

仿真结果表明，当冷却液异向流动，冷却液流速为0.005 m/s 时，电池组的最高温度为301.683 K，最大温差为1.599 K。这一散热效果已经与冷却液同向流动，冷却液流速取0.04 m/s 时，电池组最高温度301.361 K，最大温差1.361 K 的效果相差无几。然而此时异向流动的冷却液流动速度仅仅是冷却液同向流动流速的1/8 。

根据邱良燕[16]与王汉青[17]等的对流体流速与阻力损耗的研究成果，流体的流速越高，阻力损耗越发明显，从而对水泵的载荷要求越高，能量消耗也越高。

冷却液流向不同时，一侧的冷却液与电池正负极之间的换热可视为与同向方案相同，使得电池组的温度沿着从进液口到出液口的方向由低到高。另一侧可视为同向方案的镜像，使得电池温度从低到高的趋势与先前正好相反。这一散热方案使得冷却液自身吸收电池的热量而温度升高的效果大幅度减小，散热效果显著提升。图9 为冷却水异向流动流速取0.005 m/s 时，电池组的温度仿真图。