锂电池微通道液冷板散热性能分析

田少鹏,唐 豪,龚 振

(南京航空航天大学 能源与动力学院,航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室, 南京 210016)

随着科技的进步以及环境保护意识的增强,新能源汽车因能耗低、零排放等优点,逐渐成为未来汽车产业发展的主流。动力电池作为电动汽车的核心供能部件,为电动车在各种驾驶循环下提供能量。因此动力电池的性能、成本、安全性和可靠性与车辆的性能密切相关。目前影响动力电池整体性能的主要因素是动力电池整体的温度以及电池单体间的温差。低温会使锂电池电解质活性降低,增大电池内阻,导致电池放电容量下降;高温会使锂电池电极降解,电解液分解,缩短电池寿命。同时在锂电池工作过程中,电池单体间的温差过大会破坏电池组的均一性,损害电池寿命,严重时会发生起火、爆炸等严重事故[1]。因此设计出合理高效的电池热管理系统对动力电池安全高效的工作有重要意义。

液冷系统冷却效率较高,且对电池表面的冷却较为均匀,能够有效提高电池组的温度均匀性,减少局部热效应,因此被广泛应用于动力电池热管理系统。其中流道结构对于液冷板散热性能的影响较大,成为了国内外相关研究的热点。Jarrett等[2]通过对蛇形通道的板式液冷结构进行优化设计,得到了一种最优的蛇形通道冷却板结构,并指出过宽的蛇形流道散热效果较好,但电池单体间的温差会增大。袁昊等[3]设计了一种U型管的结构板式液冷系统,通过仿真模拟分析了出口位置、管径、垂直间距对热管理系统散热效果的影响,并对进口速度及温度进行联合优化,使液冷板表面温度标准差降低到 2.61 ℃。Chen等[4]采用硅油作为冷却介质,将冷却通道布置于电池组两侧的铝板上,通过实验指出当SOC较高时,增大雷诺数对冷却效果的提高不大,并对比相变材料冷却系统,指出液冷温差要高于相变材料冷却。余剑武等[5]设计了一种中心回转流道液冷板,通过数值仿真指出强化传热结构能有效改善液冷板散热均温性能。温达旸等[6]提出了一种非均匀翅片液冷板结构,有效改善了电池组表面温度均匀性,降低了液冷板质量和压力损失。

本文根据电池组具体几何尺寸,提出一种微通道液冷板结构方案,采用数值计算方法探究不同质量流量对液冷单元散热性能的影响。并提出几种不同的流道宽度设计以及添加扰流板的结构设计,探究液冷板几何参数变化对其散热性能、均温性能以及能耗的影响[7],得到较为合理的液冷板设计方案。

1 数值计算方法

液冷板的散热原理为动力电池充放电过程中产生的热量通过液冷板传递到冷却液[8]。这一换热过程主要以热传导方式进行,遵循质量守恒、能量守恒和动量守恒方程:

(1)

(2)

(3)

其中:ρ为冷却液密度,kg/m3;c为冷却液比热容,J/(kg·K);v为冷却液流速,m/s;k为冷却液传热系数,W/(m2·K)。

液冷板在传热过程中的能量方程为[9-10]:

(4)

其中:ρp为液冷板密度,kg/m3;cp为液冷板比热容,J/(kg·K);λp为液冷板导热系数,W/(m2·K)。

锂离子电池具有层叠结构,各层的热物性参数不同,其导热系数具有各向异性[11],因此需要根据热阻的串并联原理,对电池各个方向的热物性参数进行估算[12]。将电池厚度方向表示为x方向,平行于电池方向面的水平和竖直方向表示为y、z方向。由于x方向的电池各层结构串联,因此导热系数为[13]:

(5)

由于y、z方向的电池各层结构并联,因此导热系数为:

(6)

其中:λx、λy、λz为电池沿着x、y、z方向的导热系数,W/(m2·K);Li为电池各层厚度,m。

电池单体的定压比热容大小与电池各层材料性质有关,可通过质量加权法计算得到[14]:

(7)

其中:ci为各层材料比热容,J/(kg·K);mi为各层材料质量,kg。

电池单体、液冷板和冷却液热物性参数如表1所示。

表1 热物性参数

2 仿真模型建立及分析

2.1 液冷单元物理模型

某商用车方形动力电池,其电池单体标称容量为50 Ah,额定电压为3.2 V,外形尺寸为130 mm×150 mm×20 mm[15]。本文选取图1所示的动力电池组系统液冷单元结构进行研究,包含3块电池单体和4块微通道液冷板,液冷板与电池单体间隔排列。

图1 电池模组系统液冷单元结构示意图

微通道液冷板内部结构设计如图2所示。冷却液由入口流入,通过内部流道往复对电池单体进行散热,因此对电池在充放电过程中的电池单体温度均匀性有较显著的改善。其中D1～D16为液冷板内部流道的尺寸设计,本文主要探究流道宽度、流道高度和扰流结构对液冷板散热性能的影响,不对内部流道的整体结构做较大改动。

图2 液冷板内部结构示意图

2.2 强化传热结构设计

为探究强化传热结构对本文设计的微通道液冷板在散热、能耗及温度均匀性上的影响,在流道宽度为1.2 mm,高度为6 mm的基础上,设计了3种强化传热结构,如图3所示。

其中,图3(a)是在竖直方向流道内添加强化传热结构。图3(b)是在水平方向流道内添加强化传热结构。图3(c)是整体添加强化传热结构。强化传热结构的尺寸如图3(d)所示。

2.3 模型边界条件设定及网格无关性验证

使用Fluent软件对设计的电池热管理系统进行仿真计算,对仿真模型做出以下假设[16]:

1) 只考虑热传递和对流,忽略热辐射对电池组散热的影响;

2) 充放电过程中电池内部电流密度及产热分布均匀;

3) 锂离子电池的相关热物性参数不随电池的温度发生变化。

图3 3种强化传热结构示意图

在3C放电倍率下,电池单体发热功率为135 W,环境温度设置为25 ℃,选择水作为冷却液,冷却液入口流速为0.2 m/s;压力出口设置为0 Pa[17-19]。在计算过程中,假设电池与液冷板表面为绝热状态,电池在放电过程中产生的热量全部由冷却液导出[20]。

采用8个不同数量网格的方案进行网格无关性验证,验证结果如图4所示,可知在方案3,网格数量n=2 062 518时,电池组最高温度不再随着网格数量n的增加发生明显变化。所以,最终选择网格方案4,网格数量n=2 832 413进行后续仿真分析。

图4 网格无关性验证曲线

3 仿真结果分析

3.1 质量流量对液冷板散热性能的影响分析

冷却液作为液冷系统中主要的换热介质,其质量流量是重要的设计参数之一。合理的冷却液流量不仅可以有效提高液冷系统的散热性能和电池组的温度均匀性,还能获得较小的流动阻力,实现液冷系统的节能。不同质量流量对电池组表面最高温度及最大温差的影响如图5所示。随着质量流量的增加,电池组的最高温度和温差都有显著的降低,尤其当质量流量从1 g/s增加到2 g/s时,最高温度由34.87 ℃降低到30.63 ℃,降低了4.24 ℃;最大温差由6.43 ℃降低到3.5 ℃,降低了2.93 ℃;对电池组整体工作温度改善最为明显。当质量流量由2 g/s增加到4 g/s时,之后每增加2 g/s时,电池组最高温度分别降低了2.03、0.65 和0.75 ℃;最大温差分别降低了1.4、0.52 和0.25 ℃。冷却液流量增加对传热系数的影响逐渐减小,对电池组的散热增加量也逐渐减少,因此电池组最高温度下降趋势逐渐放缓,对电池组工作温度的改善效果也不再明显。同时由于冷却液质量流量的增加,冷却液温度分布的均匀性得到增强,电池组的最大温差逐渐降低。这表明质量流量的增加能够有效降低电池组温度,改善电池组温度均匀性。

图5 不同质量流量对电池组温度的影响曲线

图6表示了不同质量流量下液冷板传热系数和内部流道压降的变化。可以看出随着质量流量的增加,液冷板的传热系数h逐渐增大,由开始的70.7 W/(m2·K)增加到105.4 W/(m2·K),随着质量流量的持续增加,传热系数的增大幅度逐渐降低。这表明仅在较小质量流量的范围内,传热系数会随质量流量增加,当质量流量较大时,其对传热系数的提升不再明显。质量流量的增加也会使内部流道的流动阻力增加,当质量流量为1 g/s时,液冷板内部流道流动阻力仅为1 071 Pa,随着质量流量的增加,流动阻力分别增加了1 351.6、3 554.9、4 706.8、6 369.2 Pa,流动阻力呈一种幂函数趋势增加。这是因为质量流量越大,冷却液需要克服更大的阻力才能从出口流出,因此质量流量的增加在改善液冷板散热性能的同时,也增加了系统的能耗。图6表明质量流量的增大能够提高液冷板散热性能,而过大的质量流量不仅对散热性能的改善效果有限,且会使内部流道流动阻力大幅增加,使得液冷板能耗增加,降低了液冷板综合性能。

图6 不同质量流量下液冷板压降和传热系数变化曲线

3.2 流道高度对液冷板散热性能的影响

图7为不同流道高度下电池表面温度变化曲线。随着流道高度的逐渐增加,电池组最高温度逐渐增加,同时最大温差逐渐降低。当流道高度为4 mm时,最高温度为30.61 ℃,最大温差为3.49 ℃。随着流道高度的增加,电池表面最高温度分别升高到30.75、30.83、31.17 ℃;最大温差分别降低到3.36、3.13、2.87 ℃。这是由于随着内部流道高度的增加,液冷板内部流道截面积增大,使得冷却介质的流动阻力和流速逐渐降低,冷却液在流动过程中与液冷板换热量减少,对电池组的冷却能力下降。

图8显示了流道高度对液冷板流动阻力和平均传热系数的影响。可以看出,随着流道高度的增加,流动阻力从4 334.6 Pa降低到1 437.5Pa;平均传热系数从87.61 W/(m2·K)增加到95.13 W/(m2·K)。这表明流道高度的增加能够增加液冷板流道平均传热系数,同时减小了内部流道的流动阻力,降低了系统能耗。

图7 不同流道高度对电池组表面温度的变化曲线

图8 不同流道高度对液冷板流动阻力和平均传热系数的影响曲线

图9为不同流道高度下电池单体表面温度场云图。可以看出,随着流道高度的增加,由于液冷板内部流道的流动阻力逐渐降低,电池组整体低温区域逐渐减小,高温区域不断增大。当流道高度为4 mm时,由于存在较大的流动阻力,提高液冷板的散热性能,电池组最高温度为30.61 ℃,而较大的流速会使电池组表面最大温差较大,为3.49 ℃。当流道高度为7 mm时,较大的流道截面积会降低流道的流动阻力,降低液冷板散热性能,电池组表面最高温度为31.17 ℃,由于冷却液流速较小且内部流道换热系数增加,因此电池组靠近出口附近的高温区域扩大,改善了液冷板的温度均匀性,最大温差降低到2.87 ℃。这表明流道宽度的增加使得电池组表面最高温度增加,但流道的流动阻力减小,换热系数增加,使得液冷板在降低能耗的同时,改善了电池组表面的温度均匀性。

图9 不同流道高度下的温度场云图

3.3 流道宽度对液冷板散热性能的影响

图10为不同流道宽度对电池表面温度的影响曲线。可以看出,随着流道宽度的增大,电池单体表面平均温度呈上升趋势,最大温差呈下降趋势。当流道宽度为0.6 mm时,最高温度为30.23 ℃,最大温差为3.7 ℃。随着流道宽度的增加,电池表面最高温度分别升高到30.53、30.68、30.83 ℃;最大温差分别降低到3.58、3.52、3.48 ℃。这是由于质量流量一定,流道宽度的增加使得微通道横截面积增大,这使得冷却介质的流动阻力不断减小,冷却液流速逐渐降低,因此冷却液在流动过程中与液冷板换热量降低,冷却能力下降。

图10 不同流道宽度对电池组表面温度的影响曲线

图11显示了不同流道宽度对液冷板流动阻力和平均传热系数的影响变化曲线。可以看出,随着流道宽度的增加,流动阻力从15 993.38 Pa降低到2 422.65 Pa;平均传热系数从85.6 W/(m2·K)增加到90.6W/(m2·K)。这表明流道宽度的增加能够增加液冷板流道平均传热系数,有利于增强液冷板的散热、能耗和温度的均匀性能。

图11 不同流道宽度对液冷板流动阻力和平均传热系数的影响曲线

不同流道宽度下电池单体表面温度场如图12所示。

图12 不同流道宽度下的温度场云图

可以看出,较小的流道宽度会使得流动阻力增加,因此电池组在冷却液入口处的低温区域随着流道宽度的增加逐渐减小,高温区域不断增大。当流道宽度为0.6 mm时,较小的流道截面积会使得流动阻力较大,冷却液流速增高,提高液冷板的散热性能,电池组最高温度为30.2 ℃,同时会降低电池组的温度均匀性,电池组表面最大温差为3.49 ℃。当流道宽度为1.2 mm时,较大的流道截面积会降低流道的流动阻力,降低液冷板散热性能,电池组表面最高温度为31.17 ℃,同时会使得入口附近的低温区域不断缩小。由于冷却液流速较小且内部流道换热系数增加,因此电池组靠近出口附近的高温区域扩大,改善了液冷板的温度均匀性,电池组表面最大温差降低到2.87 ℃。因此较小的流道宽度会使液冷系统能耗增加,系统的散热能力增强;较大的流道宽度会减小流动阻力,在降低能耗的同时,减小电池组表面的温差,但冷却液对电池组的散热能力会略有降低。

3.4 强化传热机构对液冷板散热性能的影响

扰流结构是强化传热技术的一种,可通过在液冷板流道内部添加强化传热结构来提高换热效率,是液冷板流道结构设计的重要因素。图13为不同扰流结构对电池组表面温度变化的影响,其中结构0为无扰流结构的微通道液冷板。通过对比3种流道结构可知,添加扰流结构能够有效提高液冷板散热能力,降低电池组表面温度。扰流结构1使得电池组表面最高温度由扰流结构0的30.83 ℃降低至30.4 ℃,扰流结构2和3使得电池组表面最高温度又下降到了30.3 ℃和29.86 ℃。但扰流结构1和扰流结构2增大了电池组表面的最大温差,使得表面最大温差从3.49 ℃增加到了3.6 ℃和3.8 ℃。扰流结构3有效降低了电池组表面最大温差,使得电池组表面最大温差降低到3.31 ℃,提高了电池组温度均匀性。

图13 强化传热结构对电池组表面温度的影响曲线

扰流结构对液冷板流动阻力和平均传热系数的影响如图14所示。与无扰流结构情况下相比,扰流结构的添加增加了液冷板内部流道的流动阻力,平均传热系数也随之增加。流道内部流动阻力从初始的2 422.64 Pa依次递增了225.36、153.1、207 Pa,可见扰流机构的添加对液冷板流动阻力影响较小,对液冷板的能耗增加不大。内部流道平均传热系数从初始的90.54 W/(m2·K)分别增加了0.64、1.17、1.23 W/(m2·K),可见扰流机构的添加对传热系数无明显影响。由图14可知扰流结构的增加能够改善微通道液冷板的冷却和均温性能,且不会明显增加液冷板工作时的能量消耗。

4 结论

1) 质量流量在0.4 g/s时,电池组表面最高温度和最大温差分别为28.6 ℃和2.1 ℃,在0～0.4 g/s范围内,冷却液质量流量的增加能有效改善液冷系统的散热性能和均温性能。当质量流量高于0.4 g/s时,过高的质量流量对散热性能的提升十分有限,且内部流道流动阻力的增加会增大液冷系统的能耗,因此,质量流量的选取不宜过大。

2) 液冷板流道宽度和高度的增加会增大电池组最高温度,降低液冷系统散热性能,但可以减小最大温差,提高液冷系统均温性能。流道宽度和高度的降低会大幅增加流动阻力,使系统能耗增加。当流道高度为6 mm时,电池组最高温度较5 mm时仅增加0.08 ℃,最大温差减小0.23 ℃;流道高度为7 mm时,电池组最高温度较 5 mm时,增加0.42 ℃,最大温差减小0.49 ℃。当流道宽度大于1 mm时,流道宽度的增加对液冷板散热性能的改善效果逐渐降低。当流道宽度为1.2 mm时,电池组最高温度较1 mm时增加0.15 ℃,最大温差仅减小0.04 ℃。 综合考虑流道高度设计为6 mm,宽度为1 mm,在保证液冷板散热性能的同时,其均温性能不会有太大的削弱。

3) 在液冷板流道内合理添加扰流机构可以提升系统整体性能,扰流结构3的整体扰流布置方案与无扰流机构液冷板相比,电池组表面最高温度减小0.97 ℃,最大温差减小0.19 ℃,而液冷板内部流道的流动阻力仅增加585.52 Pa,更好地实现了散热、均温和能耗三者之间的均衡。