鋰離子動(dòng)力電池模塊散熱特性研究

汪陽(yáng)卿，方 林

鋰離子動(dòng)力電池模塊散熱特性研究

汪陽(yáng)卿，方 林

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文對(duì)動(dòng)力電池散熱模塊進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析了空氣冷卻與導(dǎo)熱阻燃油冷卻兩種方案的散熱特性，并對(duì)導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案的入口流量進(jìn)行了優(yōu)化分析。研究表明，導(dǎo)熱阻燃油具有良好的導(dǎo)熱特性及較高的比熱容，對(duì)比空氣冷卻能夠明顯降低電池模塊的最高溫度，使溫差得到有效的控制，不同電池單體間溫度均勻性變好，合理增大流量，導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案可以使電池組溫度均勻性進(jìn)一步提高。

動(dòng)力電池 空氣冷卻 導(dǎo)熱阻燃油冷卻 電池?zé)峁芾?/p>

0 引言

以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車與傳統(tǒng)汽車相比具有效率高、調(diào)速能力強(qiáng)、噪聲小、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，日益受到青睞，是當(dāng)前汽車研發(fā)的重點(diǎn)方向。動(dòng)力電池組作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接決定著電動(dòng)汽車能否安全高效運(yùn)行。目前電動(dòng)汽車中使用較為廣泛的動(dòng)力電池是鋰離子電池，鋰離子電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量如果得不到及時(shí)疏散，會(huì)導(dǎo)致電池組的溫度持續(xù)升高，造成電池的使用性能下降和壽命減損，更為嚴(yán)重的是發(fā)生熱失控[1]，釀成爆炸等安全事故，因此動(dòng)力電池組的熱管理研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)電池?zé)峁芾韱?wèn)題開展了大量研究。Pesaran A.A等[2]通過(guò)研究串行通風(fēng)與并行通風(fēng)方案的散熱特點(diǎn)，表明并行通風(fēng)方案對(duì)溫度的均勻性提升有明顯意義。Jarrett等[3]研究了蛇行通道冷板在電池?zé)峁芾懋?dāng)中的應(yīng)用。張?zhí)鞎r(shí)等[4]設(shè)計(jì)了液流扁管束換熱結(jié)構(gòu)，對(duì)電池模塊進(jìn)行散熱研究。路昭等[5]在空氣冷卻方案中增加了導(dǎo)熱翅片，有效提升了換熱效果。

本文選取了空氣冷卻與導(dǎo)熱阻燃油冷卻這兩種直接接觸式冷卻方案，對(duì)簡(jiǎn)化的電池組模塊進(jìn)行了三維模擬，對(duì)比了兩種散熱方案對(duì)模擬結(jié)果造成的影響，得到了不同方案電池組最高溫度及溫差變化，并對(duì)導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案進(jìn)行改進(jìn)對(duì)比。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

本文選取的電池組模型為由25節(jié)單體電池組成的電池組模塊，單體電池為某18650型圓柱形鋰離子電池，電池模塊整體結(jié)構(gòu)尺寸為118 mm×102 mm×65 mm，相鄰單體電池之間間距為2 mm，設(shè)有流體進(jìn)口和流體出口，見圖1所示。電池?zé)嵛镄詤?shù)如表1所示。

圖1 電池組簡(jiǎn)化物理模塊

表1 某18650電池單體熱物性參數(shù)

1.2 數(shù)值模型

對(duì)流體域的控制方程：

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

對(duì)固體域的控制方程：

帶有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱方程

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

圖2 流體域網(wǎng)格劃分

本文假設(shè)電池單體發(fā)熱穩(wěn)定，在某特定工況下電池單體熱功率為0.1 W，以體熱源形式加載到固體域材料中，固體域材料物性設(shè)置如表1。

流體域材料分別采用空氣和某導(dǎo)熱阻燃油作對(duì)比，其中空氣的物性設(shè)置直接使用商業(yè)軟件Fluent中自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)物性，導(dǎo)熱阻燃油物性設(shè)置如表2。

表2 某導(dǎo)熱阻燃油熱物性參數(shù)

圖3 固體域網(wǎng)格劃分

入口處邊界條件為質(zhì)量流量入口，為作對(duì)比兩種方案均取0.5 g/s，溫度為300 K；出口處采用壓力出口，設(shè)為一個(gè)大氣壓；流固交界面設(shè)為流固耦合邊界條件（interface）；其它壁面假設(shè)為絕熱邊界條件。環(huán)境初始溫度設(shè)為300 K。

本文采用壓力基求解器對(duì)電池組冷卻模塊進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，利用SIMPLEC格式進(jìn)行求解，計(jì)算時(shí)間步設(shè)為7200步，步長(zhǎng)取1 s，最大迭代數(shù)為20，判斷收斂標(biāo)準(zhǔn)為監(jiān)測(cè)物理量不再隨迭代數(shù)發(fā)生變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同冷卻方案散熱特性對(duì)比分析

圖4為空氣冷卻與導(dǎo)熱阻燃油冷卻兩種冷卻方案下電池表面最高溫度及最低溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看到隨著充放電時(shí)間的進(jìn)行，電池持續(xù)放熱，溫度逐漸升高，因?yàn)榱黧w的冷卻作用，電池表面溫度上升趨勢(shì)逐漸變緩，最終不再隨時(shí)間發(fā)生大的變化。與空氣冷卻方案相比，導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案整體達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更短，可以更快地實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的冷卻。采用空氣冷卻方案時(shí)，隨著時(shí)間的推進(jìn)，最終電池表面最高溫度為308.9 K，最低溫度為302 K；對(duì)比兩種方案可以明顯看到導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案使電池表面溫度得到了明顯的降低，這是因?yàn)榕c空氣相比，導(dǎo)熱阻燃油具有更高的導(dǎo)熱性和更大的比熱容。

圖5為空氣冷卻與導(dǎo)熱阻燃油冷卻兩種方案下，電池組內(nèi)不同單體電池間最大溫差隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看到，兩種方案電池溫差隨著電池持續(xù)發(fā)熱都呈現(xiàn)出先增大然后逐漸平緩的發(fā)展趨勢(shì)，在2000 s之前空氣冷卻方案的溫差比導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案的溫差要更小一點(diǎn)，從圖中可以看到這是因?yàn)樵诔跏茧A段導(dǎo)熱阻燃油還未對(duì)電池最高溫度的控制充分發(fā)揮它的作用，導(dǎo)致了電池最低溫度較小而最高溫度卻沒(méi)那么小，這反而造成了其溫差比空氣冷卻溫差大的現(xiàn)象，但是隨著時(shí)間的發(fā)展，導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案的優(yōu)勢(shì)逐漸明顯，與空氣冷卻方案相比，導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案使溫差更快的達(dá)到平衡狀態(tài)，其最大溫差最終為3.1 K，而空氣冷卻方案最終最大溫差達(dá)到6.9 K，由于導(dǎo)熱阻燃油的高導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱阻燃油方案更有利于電池組模塊溫度的均勻性控制。

圖4 不同冷卻方案電池溫度變化曲線

圖6至7分別為空氣冷卻與導(dǎo)熱阻燃油冷卻兩種方案電池溫度分布云圖。從圖中可以明顯看出與空氣冷卻相比，導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案的冷卻性能更優(yōu)。兩種方案電池單體最高溫度與最低溫度發(fā)生位置有所不同，結(jié)合圖8至9兩種方案流線分布圖可以看到，空氣冷卻方案最高溫度發(fā)生在25號(hào)單體電池位置上，最低溫度發(fā)生在1號(hào)單體電池位置上，從流線分布上看，由于空氣流速較高，更多的空氣直接打在1號(hào)角落，導(dǎo)致其溫度較低，而較少的空氣流經(jīng)25號(hào)單體電池所在角落，造成其所在位置溫度較高。導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案最高溫度發(fā)生在21號(hào)單體電池位置上，最低溫度發(fā)生在5號(hào)單體電池位置上，從流線分布上看，導(dǎo)熱阻燃油流體相比空氣能更均勻的分布在單體電池之間，最低溫度與最高溫度分別發(fā)生在進(jìn)出口位置上。

圖5 不同冷卻方案電池組最大溫差變化曲線

圖6 空氣冷卻方案電池溫度云圖

圖7 導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案電池溫度云圖

2.2 不同入口流量對(duì)導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案散熱特性的影響

通過(guò)空氣冷卻方案與導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案的對(duì)比，可見導(dǎo)熱阻燃油相對(duì)空氣具有更大的導(dǎo)熱系數(shù)，在很小的流速下就可以有較好的冷卻效果。提高流速即增大入口流量對(duì)換熱效果將產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，因此設(shè)置了入口流量為1 g/s的算例以作對(duì)比。

圖10為不同入口質(zhì)量流量下導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案電池溫度變化曲線。從圖中可以看到增大流量后，由于導(dǎo)熱油流速的增加，換熱能力得到提升，達(dá)到平衡的時(shí)間更快，3000 s左右電池組最高溫度達(dá)到301.8 K之后溫度就不再發(fā)生明顯變化，與小流量相比電池組最高溫度和最低溫度都明顯下降。

圖8 空氣冷卻方案流線圖

圖9 導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案流線圖

圖10 不同入口流量下導(dǎo)熱阻燃油散熱方案電池溫度曲線

圖11為不同入口質(zhì)量流量下導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案電池組最大溫差變化曲線。從圖中可以看到，隨著流動(dòng)的進(jìn)行，溫差先上升然后逐漸達(dá)到穩(wěn)定，流量增大之后由于流速的增加使流體的換熱能力得到增強(qiáng)，在導(dǎo)熱油流動(dòng)換熱的作用下，電池組不同位置的溫度分布變得更加均勻，不同電池單體間溫差得到了有效的控制。

3 結(jié)論

本文建立了電池組冷卻模塊三維數(shù)值模型，對(duì)比研究了空氣冷卻和導(dǎo)熱阻燃油冷卻兩種不同冷卻方案對(duì)電池組散熱特性的影響，并分析了不同入口流量對(duì)導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案散熱的影響，得到如下結(jié)論：

1）由于導(dǎo)熱阻燃油相對(duì)空氣而言，具有高導(dǎo)熱性和高比熱容的優(yōu)勢(shì)，其散熱效果與空氣冷卻方案相比明顯變好，電池組最高溫度顯著降低。導(dǎo)熱阻燃油具有阻燃作用，使系統(tǒng)的安全性得到提高。

2）導(dǎo)熱阻燃油方案與空氣冷卻方案相比，對(duì)電池組模塊溫度均勻性更有利，導(dǎo)熱系數(shù)更大的導(dǎo)熱油能夠有效降低不同電池單體之間的溫差，電池組溫度的均一性提高，使電池性能得到有效保護(hù)。

3）與空氣冷卻相比導(dǎo)熱阻燃油在較低的流速下就可達(dá)到較好的冷卻效果，合理增大導(dǎo)熱阻燃油的入口流量，能夠使電池模塊最高溫度進(jìn)一步降低，不同電池單體間的溫差進(jìn)一步減小。

圖11 不同入口流量下導(dǎo)熱阻燃油冷卻方案電池溫差曲線

[1] 羅慶凱, 王志榮, 劉婧婧等. 18650型鋰離子電池?zé)崾Э赜绊懸蛩豙J]. 電源技術(shù), 2016, 40(2): 277-279.

[2] Pesaran A A. Battery thermal models for hybrid vehicle simulations[J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 377-382.

[3] JARRETT, Anthony, Kim I Y. Influence of operating conditions on the optimum design of electric vehicle battery cooling plates[J]. Journal of Power Sources, 2014, 245(1): 644-655.

[4] 張?zhí)鞎r(shí), 宋東鑒, 高青. 動(dòng)力電池組扁管束液流熱管理增效[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2017, 47(4): 1032-1039.

[5] 張立玉, 路昭, 漆鵬程等. 鋰電池性能與溫度相關(guān)性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018(5).

Research on Heat Dissipation Characteristics of Lithium lon Battery Module

Wang Yangqing, Fang Lin

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM912

A

1003-4862（2019）05-0059-04

2018-12-17

汪陽(yáng)卿（1989-），男，助理工程師。研究方向：鋰離子動(dòng)力電池模塊設(shè)計(jì)。E-mail: 15872426053@163.com