變接觸面圓柱形鋰電池組液冷散熱的熱特性

袁 航， 高 強(qiáng)

(中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030000)

大量汽車尾氣的排放，不但對(duì)環(huán)境造成破壞，還對(duì)人們的身體健康帶來損害。新能源汽車逐漸進(jìn)入到人們的視野當(dāng)中。由于具有高能量密度、低自放電率等優(yōu)異特性，鋰電池汽車在新能源汽車中占有舉足輕重的地位[1]。然而，動(dòng)力鋰電池在充放電過程中，隨著電芯的發(fā)熱導(dǎo)致模組的溫度升高，會(huì)對(duì)電池的充放電效率、壽命、安全性產(chǎn)生影響[2]。通常鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間是20～40 ℃，最大溫差應(yīng)低于5 ℃[3]。設(shè)計(jì)一種高效的電池散熱系統(tǒng)尤為重要。

電池組的散熱方式一般分為三種類型：空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻[4]。空氣冷卻，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是散熱能力較弱且散熱不均勻；相變材料冷卻，可以有效地降低溫度，缺點(diǎn)是潛熱能力較低，同時(shí)相變過程中體積變化造成封裝不便；液體冷卻是利用具有良好導(dǎo)熱性以及比熱容的冷卻液對(duì)電池進(jìn)行散熱，應(yīng)用廣泛，在許多文獻(xiàn)中都有涉及。JARRETT A.等[5]通過控制18 個(gè)幾何尺寸變化的液冷板，運(yùn)用模擬的方法，選擇出最低電芯溫度與最低冷卻液壓降的液冷板設(shè)計(jì)。徐曉明等[6]對(duì)雙進(jìn)雙出的液冷管徑的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出：隨著冷卻流量的逐漸提升，散熱性能是先升高后降低的狀態(tài)。趙衛(wèi)兵等[7]先分析單體電芯的熱特性，再利用模擬的方法對(duì)4 種冷卻結(jié)構(gòu)的電池模組進(jìn)行分析，得出并行冷卻系統(tǒng)冷卻效果優(yōu)于串行冷卻系統(tǒng)。本文使用數(shù)值模擬的方法，研究4S6P 的三元18650 鋰電池模組的熱性能。為了得到電芯溫度一致性更優(yōu)的模組，提出一種接觸面積隨著冷卻液順流方向逐漸增加的結(jié)構(gòu)，利用STAR-CCM+仿真分析，優(yōu)化方案，給液冷散熱方式提供設(shè)計(jì)參考。

1 鋰電池組模型

多個(gè)電池模組可以組成整車的電池組，為了簡(jiǎn)化研究，本次只選擇長(zhǎng)度方向有6 個(gè)電芯、寬度方向有4 個(gè)電芯的電池模組。冷卻管路沿著長(zhǎng)度方向布置。電池模組與冷卻系統(tǒng)的示意圖如圖1 所示。定義沿著管路方向?yàn)閄 方向，垂直管路方向?yàn)閅 方向，每4 個(gè)電芯中間放置一個(gè)鋁塊，鋁塊與每個(gè)電芯有弧形面的接觸，并且鋁塊被蛇形冷卻管路貫穿。由于鋁塊具有很高的傳熱效率[鋁的熱導(dǎo)率為237 W/(m?K)]，電池產(chǎn)生的熱量經(jīng)由鋁塊至冷卻管路，使得熱量被迅速帶走。

圖2 是以管路路徑為剖切面的三維圖，在STAR-CCM+定義入口和出口分別為速度入口和壓力出口。速度進(jìn)口液體溫度為25 ℃。管路內(nèi)表面無滑移界面。考慮到與狹窄空間空氣的換熱困難，假設(shè)模組處于絕熱環(huán)境中。表1 示出了各個(gè)部件的熱物性屬性。

圖1 電池模組液體冷卻系統(tǒng)示意圖

圖2 三維液體冷卻模型示意圖

表1 仿真中所用材料屬性

2 控制方程與單體驗(yàn)證

電池的能量守恒方程：

式中：Pb為電池密度；Cb為比熱容；Kb為熱導(dǎo)率(各向異性)；Qgen為電池生熱率。

鋰電池參數(shù)為：直徑18 mm，長(zhǎng)度65 mm，電壓3.7 V，容量3 200 mAh。為驗(yàn)證模擬溫度的可靠性，對(duì)單體電芯進(jìn)行3 C 恒流放電。充放電裝置為NEWARE CT3004-15V20A-NA，K 型熱電偶分別放置在電池的靠近上部、中間、下部，對(duì)三個(gè)位置的溫度取平均值。環(huán)境溫度為22.5 ℃。由圖3 可知相對(duì)誤差不超過3.0%，模擬電池發(fā)熱可靠。

圖3 模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度誤差分析

水與乙二醇混合液為冷卻液，能量守恒方程為：

式中：ρw為密度；cw為比熱容；Tw為冷卻液溫度；v→為冷卻液速度矢量。

連續(xù)方程與動(dòng)量守恒方程為：

式中：p 為靜壓力；μ 為動(dòng)力粘度。

3 熱特性分析

冷卻液從進(jìn)水口流向出水口，隨著電池模組的不斷加熱，造成靠近入口的電芯的溫度普遍低于靠近出水口電芯的溫度[8]。換言之，這種溫度梯度對(duì)于整個(gè)電池模組而言是有害的[9]。對(duì)此考慮通過控制鋁塊與電芯的接觸面積，讓靠近入水口電芯的接觸面積低于出水口的電芯的接觸面積。在不影響正常散熱的前提下，使得溫度一致性效果更優(yōu)。因?yàn)殇X塊截面為中心對(duì)稱，定義最長(zhǎng)的距離為L(zhǎng)，控制L 的大小來改變接觸面的大小。

相鄰兩電芯的最小間距為4 mm，L 最大值為22 mm。方案一見圖4，給定線性數(shù)列表示接觸面積的遞增變化，由L=14、16、18、20、22 mm 代替接觸面積的變化規(guī)律，比例K=2。方案二見圖5，給出L 均為22 mm 的恒定接觸面積方式。

圖4 方案一(電芯變接觸面鋁塊模組設(shè)計(jì))

圖5 方案二(電芯等接觸面鋁塊模組設(shè)計(jì))

兩種方案均采用相同的邊界條件：環(huán)境溫度為25 ℃，電池模組的1 C 產(chǎn)熱為24 W，冷卻液進(jìn)口流速為0.1 m/s，模型采用瞬態(tài)分析工況，物理時(shí)間為120 s。仿真計(jì)算過程中，對(duì)每個(gè)電芯單體的溫度和模組的平均溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比基于不同設(shè)計(jì)方案下的電池模組溫度特性，評(píng)估兩種方案對(duì)電池模組的冷卻性能。在相同冷卻時(shí)間內(nèi)，通過電池單體的溫差和模組的平均溫度評(píng)價(jià)兩種方案的均溫性和冷卻效率。當(dāng)溫差越小，說明模組的均溫性越好；平均溫度越低，說明模組的冷卻效率越高。

兩種方案為電池模組工作120 s 后的溫度云圖見圖6 和圖7，可以掌握模組間不同電芯的溫度分布情況，了解電池模組中溫度較高的電芯分布的位置，有利于布置實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控點(diǎn)，然而無法定量地判定模組間的電芯溫差以及平均溫度[10]。

圖6 方案一120 s后電池模組溫度云圖

圖7 方案二120 s后電池模組溫度云圖

圖8 所示為兩種不同方案電池單體間的最大溫差隨時(shí)間變化的情況，由圖中看出，方案一設(shè)計(jì)電池模組在整個(gè)工作過程中單體間的溫差更小，120 s 后方案一的最大溫差為5.7 ℃，而方案二的最大溫差為6.8 ℃，即變接觸面設(shè)計(jì)方案的電池模組均溫性更好，降低了1.1 ℃。圖9 所示為兩種方案電池模組平均溫度隨時(shí)間變化的情況，可以看出電池模組降溫速率變化情況，方案一電池模組的整體平均溫度低于方案二，120 s 后方案一的平均溫度為31.1 ℃，而方案二的平均溫度為32.6 ℃，冷卻效率提高了，即變接觸面設(shè)計(jì)方案的電池模組冷卻效果更高。

圖8 兩種方案電池單體間的最大溫差隨時(shí)間變化的情況

圖9 兩種方案電池模組平均溫度隨時(shí)間變化的情況

以上結(jié)果顯示，溫度的均勻性與接觸面積的梯度變化相關(guān)聯(lián)。隨著接觸面積的梯度增大，電池模組更具有溫度一致性。同時(shí)由于靠近出口處的接觸面積越大，電池模組的冷卻效率也越高，因此采用變接觸面積設(shè)計(jì)能夠有效地提高電池模組的冷卻效率和均溫性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)圓柱形鋰電池模組的散熱，提出一種新型的變接觸面積的方式，并對(duì)該方式進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，通過對(duì)比無接觸面變化的鋰電池模組的熱性能，結(jié)果顯示：相對(duì)于接觸面積恒定的模組，變接觸面積的模組無論是從冷卻效率還是溫度一致性方面，都比恒定的模組更優(yōu)，體現(xiàn)在具體數(shù)值上，冷卻效率提高了4.82%，溫度一致性的標(biāo)準(zhǔn)差降低了1.1 ℃。