空氣域與流體域耦合作用下雙層電池包散熱特性

趙磊， 朱茂桃， 徐曉明， 胡東海， 李仁政

(江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中，由于產(chǎn)熱化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)部電阻的存在，電池的溫度逐漸升高[1]，如果這些熱量得不到及時(shí)的散發(fā)，過(guò)高的溫度和溫差將影響動(dòng)力電池的使用性能[2-3]。因此需要設(shè)計(jì)一套動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)管。隨著電池能量密度和整車(chē)行駛里程需求的不斷提高，動(dòng)力電池系統(tǒng)正向開(kāi)發(fā)成為主流，電池箱體結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出了更高的要求?，F(xiàn)有的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)方案主要有：空氣冷卻[4-7]、液體冷卻[8-9]和相變材料[10-11]，液體冷卻熱管理方式因其較好的冷卻效率和可靠性等而受到人們的廣泛關(guān)注。

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池液冷熱管理系統(tǒng)開(kāi)展了豐富的研究。趙春榮等[12]建立了單層18650型鋰離子電池模組的微通道液冷熱模型，研究了放電倍率、冷卻液入口流速、電池間接觸面積以及電池與水冷管外壁接觸面積對(duì)電池模組散熱性能的影響。徐曉明和趙又群[13]針對(duì)單層2并12串的電池模組，分析了不同水冷板流經(jīng)、進(jìn)液流量和環(huán)境溫度對(duì)其散熱性能的影響，結(jié)果表明，與單進(jìn)單出流徑相比，雙進(jìn)雙出流徑液冷系統(tǒng)的電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差均明顯降低， 散熱效率得到提高，不論何種流徑方案，都有一個(gè)最佳進(jìn)液流量，使最高溫升和內(nèi)部最大溫差都達(dá)到最小。Zhao等[14]提出了一種用于單層42110圓柱形鋰離子電池的微通道液體冷卻柱結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法研究了流道數(shù)量、質(zhì)量流量、流量方向和入口尺寸對(duì)散熱性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)微通道數(shù)不小于4，進(jìn)口質(zhì)量流量為1 103 kg/s時(shí)，鋰離子電池的最高溫升可控制在40℃以下。現(xiàn)有動(dòng)力電池液冷熱管理研究多以單層成組動(dòng)力電池為研究對(duì)象，忽略電池與周?chē)諝獾膶?duì)流換熱，通過(guò)液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析熱管理系統(tǒng)的散熱性能，但對(duì)于動(dòng)力電池組多層壘疊復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱性分析卻少有人考慮。

多層壘疊電池包結(jié)構(gòu)中空氣域的存在使各層電池模組熱流場(chǎng)耦合在一起，改變了液冷系統(tǒng)的散熱行為。本文以某款轎車(chē)的方形雙層電池包為研究對(duì)象，基于試驗(yàn)結(jié)果建立電池單體的發(fā)熱模型，通過(guò)改變液冷板進(jìn)出口位置、進(jìn)液流量和電池放電倍率，探究雙層電池包內(nèi)空氣傳熱對(duì)上下層模組熱行為的影響規(guī)律，為多層壘疊電池包熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要的指導(dǎo)意義。

1 鋰離子電池?zé)嵛镄詤?shù)及試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 鋰離子電池的熱物性參數(shù)

表1為55 Ah鋰離子電池單體的熱物性參數(shù)，其中電芯的密度為2 123 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為30.6 W/(m·K)，比熱容為913 J/(kg·K)。

表1 55 Ah鋰離子電池單體的熱物性參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of 55 Ah lithium-ion battery monomer

1.2 發(fā)熱功率測(cè)定試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

圖1為55Ah鋰離子電池單體測(cè)溫點(diǎn)布置和絕熱設(shè)計(jì)。電池單體通常由隔膜、正負(fù)極材料、極耳和殼體等部件組成，各部件熱物性參數(shù)不一致，導(dǎo)致電池表面溫度分布不均，在不考慮極柱發(fā)熱的情況下，最高溫分布在電池的中下部，因此，在單體電池底部對(duì)稱(chēng)布置2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，正反面及側(cè)面中心各布置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，共5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。同時(shí)，為防止環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定造成干擾，電池單體進(jìn)行絕熱設(shè)計(jì)，保溫箱用3層絕熱材料包裹，以保證具有較好的絕熱性能，該測(cè)溫點(diǎn)布置方案可有效捕捉電池單體測(cè)試過(guò)程中的最高溫升及不同方向的溫升情況。試驗(yàn)中所選用的溫度傳感器型號(hào)為T(mén)型熱電偶，最高測(cè)量溫度值達(dá)到350℃，基本誤差限位±0.75%，滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

圖1 55Ah鋰離子電池單體測(cè)溫點(diǎn)布置和絕熱設(shè)計(jì)Fig.1 Arrangement of temperature measuring point and design of thermal insulation for 55Ah lithium-ion battery monomer

發(fā)熱量計(jì)算式為

Q=CpmΔT

(1)

式中：Q為發(fā)熱量，J；Cp為比熱容，J/(kg·K)；m為質(zhì)量，kg；ΔT為溫升,K。

由式(1)可以推出發(fā)熱功率計(jì)算式為

(2)

式中：P為發(fā)熱功率，W；t為時(shí)間，s。

試驗(yàn)過(guò)程：將恒溫箱調(diào)到合適的溫度，以一定的倍率充電至3.65 V，轉(zhuǎn)恒壓充電，至0.05 C截止；再以該倍率放電至2.50 V截止。

1.3 不同充放電倍率時(shí)電池單體發(fā)熱功率測(cè)定及分析

環(huán)境溫度為20℃時(shí)，對(duì)電池單體進(jìn)行不同倍率充放電。圖2為0.5C充放電倍率時(shí)，55Ah鋰離子電池單體平均溫度曲線(xiàn)。

圖2 0.5 C充放電倍率時(shí)55 Ah鋰離子電池體平均溫度曲線(xiàn)Fig.2 Average temperature curves of 55 Ah lithium-ion battery monomer at 0.5 C charge and discharge rate

表2為不同充放電倍率時(shí)電池單體充放電過(guò)程溫度數(shù)據(jù)，從表3可以看出，充放電過(guò)程中，0.5 C充放電倍率時(shí)平均發(fā)熱功率為2.31 W； 0.8 C充放電倍率時(shí)平均發(fā)熱功率為5.00 W；1 C充放電倍率時(shí)平均發(fā)熱功率為6.51 W； 1.5 C充放電倍率時(shí)平均發(fā)熱功率為12.83 W；2 C充放電倍率時(shí)平均發(fā)熱功率為19.17 W，可見(jiàn)隨著充放電倍率提高，電池單體發(fā)熱功率也升高。

表2 不同充放電倍率時(shí)55 Ah鋰離子電池單體溫度數(shù)據(jù)Table 2 Temperature data of 55 Ah lithium-ion battery monomer at different charge and discharge rates

表3 不同充放電倍率時(shí)55 Ah鋰離子電池單體發(fā)熱功率Table 3 Thermal power of 55 Ah lithium-ion battery monomer at different charge and discharge rates

1.4 電池單體發(fā)熱功率試驗(yàn)測(cè)定與仿真對(duì)比分析

環(huán)境溫度為20℃時(shí)，對(duì)比1 C充放電時(shí)的試驗(yàn)與仿真結(jié)果，電池單體充放電過(guò)程的發(fā)熱功率如圖3所示，將其作為仿真時(shí)熱源的依據(jù)，仿真分析得到的溫度場(chǎng)分布如圖4所示，可以看出充放電過(guò)程中電池單體的溫度場(chǎng)分布基本接近，但放電時(shí)的溫度相對(duì)較高，這可以從靠近電池極柱處的溫度分布看出。從圖5可以看出，仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，其中充電時(shí)仿真得到的單體電池最高溫度比試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果高1.17℃，放電時(shí)仿真得到的最高溫度比試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果高1.10℃，數(shù)據(jù)誤差在合理可接受范圍內(nèi)。

圖3 電池單體充放電過(guò)程發(fā)熱功率Fig.3 Thermal power of battery monomer in charge and discharge process

圖4 電池單體充放電過(guò)程溫度場(chǎng)分布Fig.4 Temperature field distribution of battery monomer in charge and discharge process

圖5 電池單體試驗(yàn)與仿真的溫度數(shù)據(jù)比較Fig.5 Comparison of temperature data of battery monomer between experiment and simulation

2 雙層電池包物理與數(shù)學(xué)模型

2.1 物理模型

本文研究對(duì)象為某款轎車(chē)的方形雙層電池包，共8個(gè)模組，單個(gè)模組內(nèi)由12節(jié)電芯3并4串組成，外形尺寸為0.318 m×0.148 m×0.093 m。常規(guī)情況下，模組內(nèi)單體電池間間隙非常小，單體電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)于模組整體的熱行為影響較小[15-16]，故將電池包物理模型簡(jiǎn)化如圖6所示，該電池包熱管理系統(tǒng)采用液冷，8塊液冷板布置于模組下方通過(guò)串聯(lián)相連，液冷板材料為鋁合金，進(jìn)出口圓孔直徑為0.011 m。為優(yōu)化液冷板和電池模組間傳熱效果，在兩者之間涂有一層1 mm厚的導(dǎo)熱硅膠，從而確保與電池具有一定的換熱面積。

液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：環(huán)境溫度和冷卻液入口溫度為25℃，冷卻液流速為500 L/h，電池放電倍率為2 C時(shí)，電池包內(nèi)單體電池最高溫升不大于25℃，最大溫差不大于8℃。

圖6 雙層電池包物理模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of physical model of double-layer battery pack

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 電池單體發(fā)熱模型

根據(jù)Bernardi[17]提出的生熱速率模型，電池單體的產(chǎn)熱量為

Q=Qir+Qre=I(Uca-Uan-U)-

(3)

式中：Qir為不可逆熱；Qre為可逆熵?zé)幔籘為電池溫度，℃；I為工作電流，A;U為工作電壓，V；Uca、Uan分別為正負(fù)極開(kāi)路電勢(shì)，其溫度依變關(guān)系采用文獻(xiàn)[18-19]數(shù)據(jù)。

2.2.2 電池與液冷板間的導(dǎo)熱模型

電池包模組底面與液冷板上表面接觸，通過(guò)導(dǎo)熱方式與液冷板外壁進(jìn)行熱交換，其原理可用傅里葉定律來(lái)表述，其具體數(shù)學(xué)定義為

(4)

2.2.3 電池與空氣的對(duì)流換熱模型

單層電池包液冷系統(tǒng)仿真通常忽略電池模組與周?chē)諝獾膶?duì)流換熱，而對(duì)于雙層電池包，空氣的流動(dòng)將上下模組熱流場(chǎng)耦合在一起，故考慮電池與空氣間的對(duì)流換熱，采用牛頓冷卻公式表征兩者間的熱對(duì)流，產(chǎn)生的熱量傳遞數(shù)值為

Φ=hA(tw-tf)

(5)

q=h(tw-tf)

(6)

式中：q為熱流密度，J/(m2·s)；h為對(duì)流換熱表面的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；tw為固體壁面的初始溫度，℃；tf為流體的初始溫度，℃。

2.2.4 液冷板內(nèi)液體流動(dòng)狀態(tài)模型

液冷板內(nèi)冷卻液的流動(dòng)可認(rèn)為是不可壓縮流動(dòng)，冷卻液的物性參數(shù)恒為常數(shù)。考慮到液體流速較高以及液冷板內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起的分離現(xiàn)象，應(yīng)按k-ε湍流模型處理，并運(yùn)用SIMPLE壓力修正法進(jìn)行迭代。其控制方程組如下：

連續(xù)方程：

(7)

動(dòng)量守恒方程：

(8)

能量守恒方程：

(9)

式中：V為速度矢量；p為壓力，Pa；ρ為冷卻液密度，kg/m3；μ為冷卻液動(dòng)力黏性系數(shù);E為總能量，J；u、v和w分別為x、y和z方向的速度。

2.3 初始及邊界條件

電池模組的初始溫度、環(huán)境溫度和冷卻液的入口溫度均設(shè)定為25℃，忽略電池與外界的輻射傳熱。上下液冷板串聯(lián)，入口為自由進(jìn)口邊界條件，壓力大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；出口為靜壓出口，冷卻液流速為300、500、700 L/h。液冷板壁面采用無(wú)滑移邊界條件，速度為零，且與外界熱交換；電池發(fā)熱功率視具體算例給定。

2.4 仿真精度分析

為了確保數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用ANSA對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行前處理，局部區(qū)域加密，其中，冷卻液進(jìn)出口處網(wǎng)格情況如圖7所示，各部分的網(wǎng)格數(shù)量如下：箱體的網(wǎng)格數(shù)量為336 716、空氣域的網(wǎng)格數(shù)量為2958786、液冷板的網(wǎng)格數(shù)量為691 141、導(dǎo)熱硅膠的網(wǎng)格數(shù)量為97 419、模組的網(wǎng)格數(shù)量為1 925 877、水域的網(wǎng)格數(shù)量為1 111 803，skwewness均在0.9以下，網(wǎng)格質(zhì)量為0.87，經(jīng)檢查網(wǎng)格不存在負(fù)體積，在保證高精度的同時(shí)，可捕捉到各個(gè)計(jì)算域的幾何特征，因此，模型的網(wǎng)格劃分滿(mǎn)足仿真精度要求。

圖7 雙層電池包冷卻液進(jìn)出口網(wǎng)格示意圖Fig.7 Schematic diagram of coolant inlet and outlet grid of double-layer battery pack

3 結(jié)果與討論

為探究雙層電池包內(nèi)部空氣域的存在對(duì)散熱性能的影響，對(duì)不同放電倍率、冷卻液進(jìn)液方向和進(jìn)液流量下串聯(lián)型液冷雙層電池包空氣域和流體域耦合散熱行為進(jìn)行了仿真分析，其中，不同放電倍率下電芯的發(fā)熱功率由試驗(yàn)測(cè)定，冷卻液的流向共有2種：上進(jìn)下出和下進(jìn)上出，如圖8所示。

圖8 雙層電池包冷卻液流向示意圖Fig.8 Schematic diagram of coolant flow direction of double-layer battery pack

3.1 不同放電倍率下雙層電池包熱流場(chǎng)耦合影響分析

3.1.1 冷卻液上進(jìn)下出

圖9和圖10分別給出了雙層電池包冷卻液上進(jìn)下出在不同放電倍率下帶空氣域和不帶空氣域上下層模組溫度分布云圖。由圖9和圖10可知，雙層電池包內(nèi)部空氣的存在對(duì)上下層模組溫度分布沒(méi)有顯著影響；液冷管道中冷卻液依次流過(guò)上下層各個(gè)模組，冷卻液溫度逐漸升高，上層模組的最高溫升小于下層模組的最高溫升，對(duì)于單個(gè)模組而言，模組上部區(qū)域溫度高于下部區(qū)域；相鄰模組之間，前一個(gè)模組冷卻液出口處模組溫度高于后一個(gè)模組冷卻液進(jìn)口處溫度，這主要?dú)w因于冷卻液在相鄰液冷板管道間流動(dòng)時(shí)，冷卻液與管道發(fā)生熱交換溫度降低。

圖9 不同放電倍率下帶空氣域雙層電池包上下模組溫度分布云圖(冷卻液上進(jìn)下出)Fig.9 Temperature distribution contour of upper and lower modules of double-layer battery pack with air domain under different discharge rates (coolant inlet up and outlet down)

圖10 不同放電倍率下不帶空氣域雙層電池包上下模組溫度分布云圖(冷卻液上進(jìn)下出)Fig.10 Temperature distribution contour of upper and lower modules of double-layer battery pack without air domain under different discharge rates (coolant inlet up and outlet down)

衡量電池?zé)峁芾碛行缘?個(gè)重要指標(biāo)為最高溫升和最大溫差，從圖9和圖10還可以看出，雙層電池包冷卻液上進(jìn)下出時(shí)在不同放電倍率下電池包內(nèi)部空氣域的存在對(duì)電池溫差影響不大，隨著放電倍率的增大，單體電池間的最大溫差升高，在2 C高倍率放電時(shí)，電池包內(nèi)單體電池最大溫差較大接近15℃，超過(guò)其安全溫度要求，主要原因在于液冷板內(nèi)部流道僅有2條，8塊液冷板串聯(lián)冷卻液流阻較大，在500 L/h較低進(jìn)液流量及2 C高倍率放電倍率下，不能有效均衡單體電池溫度分布，需要對(duì)雙層電池包液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表4為不同放電倍率下冷卻液上進(jìn)下出雙層電池包帶空氣域和不帶空氣域時(shí)上下層最高溫升數(shù)據(jù)，可知空氣域的存在改變了最高溫升值，在2 C放電倍率下不帶空氣域時(shí)上層模組最高溫升為22.553℃，下層模組最高溫升為24.415℃，帶空氣域時(shí)上層模組最高溫升增加到22.764℃，下層模組最高溫升降低為24.244℃。

表4 不同放電倍率下冷卻液上進(jìn)下出雙層電池包上下層最高溫升數(shù)據(jù)Table 4 Maximum temperature rise data of upper and lower layers of double-layer battery pack with coolant inlet up and outlet down under different discharge rates

當(dāng)不考慮空域時(shí)雙層電池包內(nèi)模組熱量的傳遞只有與液冷板間的熱傳導(dǎo)，空氣域的存在增加了電池包內(nèi)熱傳遞方式，上下層模組通過(guò)與空氣的對(duì)流換熱耦合在一起；高溫空氣在電池包頂部區(qū)域積聚使上層模組的最高溫升增大；冷卻液上進(jìn)下出的流動(dòng)方式，上層模組溫度高于下層模組，下層模組通過(guò)與空氣的對(duì)流換熱散發(fā)熱量，使下層模組的最高溫升降低，隨著放電倍率的增大，上下層模組間溫差增大空氣流動(dòng)性增強(qiáng)，下層模組的最高溫升降低的幅度增強(qiáng)，在2 C放電倍率時(shí)降低了0.171℃，上下層模組最高溫升的變動(dòng)使雙層電池包上下層溫差降低；由于空氣對(duì)流換熱的能力有限，電池放電倍率的增大，空氣域的存在對(duì)雙層電池包的散熱影響反而減弱，上下層模組最高溫升差(上下層模組最高溫升的差值)降低率，由1 C放電倍率時(shí)的49.1%降低到2 C時(shí)的20.5%。

3.1.2 冷卻液下進(jìn)上出

圖11和圖12分別給出了雙層電池包冷卻液下進(jìn)上出時(shí)在不同放電倍率下帶空氣域和不帶空氣域上下層模組溫度分布云圖。可知與冷卻液上進(jìn)下出的情況相同，空氣的存在對(duì)雙層電池包上下層模組的溫度分布沒(méi)有顯著影響，液冷系統(tǒng)采用下進(jìn)上出串聯(lián)的方式，上層模組的最高溫升大于下層模組的最高溫升。同理，單個(gè)模組內(nèi)冷卻液進(jìn)口處溫度小于出口處溫度，模組上部區(qū)域溫度高于下部區(qū)域；由于冷卻液在相鄰液冷板管道間流動(dòng)溫度降低，相鄰模組之間，前一個(gè)模組冷卻液出口處溫度高于后一個(gè)模組冷卻液進(jìn)口處溫度，符合電池包串聯(lián)液冷系統(tǒng)溫度變化趨勢(shì)。

圖12 不同放電倍率下不帶空氣域雙層電池包上下模組溫度分布云圖(冷卻液下進(jìn)上出)Fig.12 Temperature distribution contour of upper and lower modules of double-layer battery pack without air domain under different discharge rates (coolant inlet down and outlet up)

從圖11和圖12還可以看出，雙層電池包冷卻液下進(jìn)上出時(shí)在不同放電倍率下電池包內(nèi)部空氣域的存在對(duì)電池溫差影響同樣不大，在2 C放電倍率時(shí)，電池包內(nèi)單體電池間的最大溫差在15℃左右，超過(guò)電池安全溫度范圍，與冷卻液上進(jìn)下出時(shí)單體電池最大溫差較大原因類(lèi)似，在較低的進(jìn)液流量和高放電倍率下，液冷板流道設(shè)計(jì)的不合理以及串聯(lián)液冷系統(tǒng)較大的流阻，導(dǎo)致電池單體的溫度均衡性較差。

表5為不同放電倍率下冷卻液下進(jìn)上出雙層電池包帶空氣域和不帶空氣域時(shí)上下層最高溫升數(shù)據(jù)，在2 C放電倍率下不帶空氣域時(shí)上層模組最高溫升為24.352℃，下層模組最高溫升為22.208℃，帶空氣域時(shí)上層模組最高溫升增加到24.447℃，下層模組最高溫升也增加到22.409℃，下層模組最高溫升變化趨勢(shì)與液冷卻上進(jìn)下出時(shí)相反。

表5 不同放電倍率下冷卻液下進(jìn)上出雙層電池包上下層最高溫升數(shù)據(jù)Table 5 Maximum temperature rise data of upper and lower layers of double-layer battery pack with coolant inlet down and outlet up under different discharge rates

高溫空氣在電池包頂部區(qū)域匯聚增大了上層模組的最高溫升；冷卻液下進(jìn)上出使上層模組溫度低于下層模組，上下層模組溫度差使得下層模組通過(guò)空氣的對(duì)流換吸收熱量溫度升高，但空氣自下而上流動(dòng)將帶走下層模組的熱量使下層模組的最高溫升降低，溫度升高的趨勢(shì)大于降低的趨勢(shì)使下層模組最高溫升增大，而隨著放電倍率的增大，上層模組溫度高于下層模組溫度的趨勢(shì)增強(qiáng)空氣的流動(dòng)性增強(qiáng)不顯著，下層模組最高溫升增加的幅度稍有提高，在2 C放電倍率時(shí)增加了0.201℃；空氣域的存在使得雙層電池包上下層最高溫升差降低，與冷卻液上進(jìn)下出相比，同放電倍率下其對(duì)雙層電池包上下層最高溫升差的影響較小，考慮到空氣對(duì)流換熱的能力有限，隨著電池放電倍率的增大，空氣域?qū)ι舷聦幽＝M溫差變化進(jìn)一步減弱，上下層模組最高溫升差由1 C放電倍率時(shí)的13.5%降低到2 C放電倍率時(shí)的4.9%。

3.2 不同進(jìn)液流量下雙層電池包熱流場(chǎng)耦合影響分析

圖13和圖14分別給出了雙層電池包冷卻液上進(jìn)下出時(shí)在不同進(jìn)液流量下帶空氣域和不帶空氣域上下層模組溫度分布云圖。可知空氣的存在對(duì)雙層電池包上下層模組溫度的整體分布也沒(méi)有顯著影響，與不同放電倍率下雙層電池包冷卻液上進(jìn)下出時(shí)上下層溫度分布相同，上層模組的最高溫升小于下層模組的最高溫升，單個(gè)模組內(nèi)冷卻液進(jìn)口處溫度小于出口處溫度，模組上部區(qū)域溫度高于下部區(qū)域，歸因于冷卻液在相鄰液冷板管道間流動(dòng)時(shí)與管道熱傳遞降低溫度，相鄰模組之間冷卻液流經(jīng)的前一個(gè)模組出水口處溫度高于后一個(gè)模組進(jìn)水口出處溫度。

圖13 不同進(jìn)液流量下帶空氣域雙層電池包上下模組溫度分布云圖Fig.13 Temperature distribution contour of upper and lower modules of double-layer battery pack with air domain under different inlet flow rates

圖14 不同進(jìn)液流量下不帶空氣域雙層電池包上下模組溫度分布云圖Fig.14 Temperature distribution contour of upper and lower modules of double-layer battery pack without air domain under different inlet flow rates

從圖13和圖14中還可以看出，雙層電池包在不同進(jìn)液流量下電池包內(nèi)部空氣域的存在對(duì)電池溫差影響不大，且隨著進(jìn)液流量的增大，電池包內(nèi)單體電池的最大溫差略有降低，當(dāng)進(jìn)液流量為300 L/h時(shí)，單體電池最大溫差最大接近10℃，這同樣超出了電池的安全溫度范圍，同樣，究其原因主要在于，液冷板流道設(shè)計(jì)存在不合理，串聯(lián)型的液冷系統(tǒng)流阻較大，在1.5 C較高放電倍率和300 L/h的進(jìn)液流量下，電池單體溫度分布差異顯著。

表6為不同進(jìn)液流量下冷卻液上進(jìn)下出雙層電池包帶空氣域和不帶空氣域時(shí)上下層最高溫升數(shù)據(jù)，由表中可知在進(jìn)液流量為700 L/h時(shí)帶空氣域和不帶空氣域電池包上下層模組最高溫升都最低，且不帶空氣域時(shí)上層模組最高溫升為14.172℃，下層模組最高溫升為15.106℃，帶空氣域時(shí)上層模組最高溫升增加到14.382℃，下層模組最高溫升降低為15.034℃。

通過(guò)與空氣的對(duì)流換熱，上下層模組溫度改變；高溫空氣在電池包頂部區(qū)域匯集增大了上層模組的最高溫升，下層模組溫度變化與不同放電倍率下溫度變化趨勢(shì)相同，冷卻液上進(jìn)下出使上層模組溫度高于下層模組，下層模組通過(guò)空氣的對(duì)流換熱最高溫升，隨著冷卻液進(jìn)液流量的增大，上下層模組間溫差降低空氣的流動(dòng)性減弱，下層模組最高溫升降低的幅度減小，在700 L/h進(jìn)液流量時(shí)只降低了0.072℃，上下層模組的溫度變化使得雙層電池包上下層模組最高溫升差降低；且隨著冷卻液進(jìn)液流量的增大，空氣域的存在對(duì)雙層電池包的影響增強(qiáng)，上下層模組最高溫升差降低率由進(jìn)液流量300 L/h時(shí)的17.5%增加到700 L/h時(shí)的30.2%。

表6 不同進(jìn)液流量下雙層電池包上下層最高溫升數(shù)據(jù)Table 6 Maximum temperature rise data of upper and lower layers of double-layer battery pack under different inlet flow rates

4 結(jié) 論

本文針對(duì)某款轎車(chē)的方形雙層電池包熱管理系統(tǒng)，建立包含空氣域的雙層電池包熱模型，通過(guò)試驗(yàn)確定電池單體不同放電倍率下的發(fā)熱功率，并且對(duì)電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。運(yùn)用該模型對(duì)上下層模組在不同放電倍率、不同冷卻液流向和不同進(jìn)液流量大小時(shí)的熱行為進(jìn)行了模擬研究，并與不帶空氣域模型在同工況下熱行為對(duì)比，探討空氣域的存在對(duì)雙層電池包散熱性能的影響，得出如下結(jié)論：

1) 增大放電倍率、改變進(jìn)液方向以及增加進(jìn)液流量時(shí)，空氣域的存在不會(huì)對(duì)雙層電池包液冷熱管理系統(tǒng)上下層模組的溫度分布及單體電池最大溫差產(chǎn)生顯著影響，但在較高放電倍率及較低進(jìn)液流量下單體電池最大溫差超過(guò)安全溫度范圍。

2) 當(dāng)冷卻液流向?yàn)樯线M(jìn)下出時(shí)，空氣域的存在使得雙層電池包上層模組最高溫升增大，下層模組最高溫升減小，從而降低上下層模組間的溫差。但隨著放電倍率的增大，空氣域的影響顯著減弱，在2 C放電倍率時(shí)，上下層模組最高溫升差降低了20.5%。

3) 當(dāng)冷卻液流向?yàn)橄逻M(jìn)上出時(shí)，空氣域的存在使得上下層模組最高溫升都變大，但上層模組最高溫升增大幅度小于下層模組，因此上下層模組間的溫差降低，相較于冷卻液流向上進(jìn)下出，空氣域的影響減弱，在2 C放電倍率時(shí)，上下層模組最高溫升差只降低了4.9%。

4) 當(dāng)冷卻液流向?yàn)樯线M(jìn)下出時(shí)，增加進(jìn)液流量，上下層模組溫差減少，空氣域的存在進(jìn)一步縮小了兩者之間的溫差值，在300 L/h進(jìn)液流量時(shí)，上下層模組最高溫升差降低了17.5%，當(dāng)進(jìn)液流量增加至700 L/h時(shí)，上下層模組最高溫升差降低率提高至30.2%。

仿真分析結(jié)果指出了該雙層電池包串聯(lián)型液冷系統(tǒng)在單體電池最大溫差方面不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，更重要的是，揭示了包內(nèi)空氣域的對(duì)流換熱對(duì)雙層電池包熱管理系統(tǒng)散熱行為的影響規(guī)律，在下一步的研究中可考慮加入電池荷電狀態(tài)(SOC)，研究空氣域和流體域耦合作用下其對(duì)雙層電池包散熱的影響，為以后應(yīng)用于純電動(dòng)車(chē)的多層壘疊電池包熱管理的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及熱行為的研究提供指導(dǎo)意義。