基于液冷式電池組的導(dǎo)熱膠散熱分析

張小秋，何 鋒，蔣雪生，王文亮

（1.貴州大學(xué)，貴州貴陽(yáng)550025；2.貴州長(zhǎng)江汽車有限公司）

0 引言

動(dòng)力電池組具有能量密度高、電壓穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)汽車最合適的蓄能裝置。而電池組對(duì)溫度敏感，在工作過程中釋放的熱量使工作溫度升高，甚至可能導(dǎo)致熱失控[1]。

目前主要采用空氣、液體或相變材料等設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）[2]。液冷以導(dǎo)熱速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、管道布置靈活等優(yōu)點(diǎn)得到較好應(yīng)用。Duh 等人[3]指出極端的高低溫環(huán)境會(huì)對(duì)鋰電池的運(yùn)行效率和循環(huán)壽命造成影響；S.Panchal 等人[4]在鋰電池包上布置微通道液冷板，從流速分布、放電倍率和環(huán)境溫度方面研究對(duì)BTMS散熱性能的影響；Wang 等人[5]把導(dǎo)熱膠應(yīng)用到BTMS中一個(gè)單體中，單體的溫度分布受微通道數(shù)量和液體流速影響，但對(duì)冷卻液流動(dòng)方向影響不明顯；徐曉明等人[6]在三種工況下，對(duì)比分析單體之間為空氣和填充導(dǎo)熱膠兩種電池包的溫度場(chǎng)分布情況，在勻速、NEDC 工況下，填充導(dǎo)熱膠的電池包溫差分別降低了1.41 ℃、0.14℃、0.2 ℃；劉一凡等人[2]分析了4 種導(dǎo)熱膠形狀對(duì)電池組熱性能影響，隨著導(dǎo)熱膠與電池組接觸面積的減少電池組最高溫度增加、溫差減小，但不能忽略電池單體內(nèi)阻變化對(duì)散熱的影響。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定電池單體內(nèi)阻隨SOC 的變化，有利于提高仿真分析的準(zhǔn)確性，且單體之間存在一定的空氣間隙造成熱傳遞不均，導(dǎo)熱膠對(duì)電池溫度場(chǎng)有良好作用。

本文通過設(shè)計(jì)不同液冷式電池組導(dǎo)熱膠散熱結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定電池單體內(nèi)阻與SOC 的關(guān)系并擬合公式，利用Fluent 仿真對(duì)比分析導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)對(duì)電池組溫度場(chǎng)分布的影響，進(jìn)一步分析常溫和高溫工況下溫度場(chǎng)分布，驗(yàn)證其有效性。

1 計(jì)算模型

1.1 理論模型

（1）連續(xù)方程：

式中 ρ 為密度；u、v、w和x、y、z為速度向量方向。

（2）能量守恒方程：

式中ρ—電池密度；Cp—電池比熱容；λx、λy，λz—3 個(gè)正交方向的導(dǎo)熱率；q—電池生熱速率。

（3）生熱速率計(jì)算模型

式中I—電流，Vb—單體電池體積，U—開路電壓，U0—工作電壓，T—電池溫度，dU0/dT—溫度系數(shù)。

1.2 幾何模型

電池組采用五串的連接方式構(gòu)成，4 個(gè)微通道均勻分布在底部液冷板；采用三種導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)方案，微通道液冷板分布在電池組的底部，分別在單體底部與液冷板之間都涂有一層1 mm 厚度的導(dǎo)熱膠，其中，（a）結(jié)構(gòu)在單體之間無(wú)填充，（b）、（c）結(jié)構(gòu)分別在單體之間填充的導(dǎo)熱膠厚度為5 mm、1 mm，導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)如圖1（d），基于不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)，建立液冷式電池組幾何模型，相關(guān)熱物性參數(shù)如表1。

圖1 不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)與液冷板局部放大圖

表1 電池組和導(dǎo)熱膠熱物性參數(shù)

2 試驗(yàn)測(cè)試

通過充放電測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，采用混合脈沖功率特性法（HPPC）測(cè)定電池單體內(nèi)阻與SOC的變化關(guān)系，以不同的環(huán)境溫度開展試驗(yàn)，將電池置于相應(yīng)環(huán)境溫度的恒溫箱內(nèi)，底部與箱板絕緣，對(duì)電池單體進(jìn)行充放電試驗(yàn)，相關(guān)電池參數(shù)如表2。

將電池單體內(nèi)阻與SOC的關(guān)系式變換為SOC與時(shí)間t關(guān)系，其表達(dá)式為：

式中SOC0—初始時(shí)刻SOC值；I—充放電電流；t—充放電時(shí)間；C—電池容量。

擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過Fluent 進(jìn)行UDF 編譯模擬相應(yīng)環(huán)境溫度下電池組生熱速率，擬合關(guān)系式為：

表2 電池參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 常溫工況下電池組溫度分布

初始溫度為常溫25 ℃，冷卻液入口溫度20 ℃。對(duì)流系數(shù)取5 W/（m2/K）-1，對(duì)比分析電池組的溫升和溫度均衡性。

圖2 不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)對(duì)比

不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布如圖2。a 結(jié)構(gòu)散熱性能較差，表現(xiàn)為電池頂部溫度最高，越靠近底部呈降低趨勢(shì)，如表3。最低溫度均為20.1 ℃，與冷卻液入口溫度20 ℃接近，說(shuō)明降低冷卻液溫度能有效促進(jìn)散熱，但過低的冷卻液溫度會(huì)使最大溫差上升。與a 結(jié)構(gòu)相比，b 結(jié)構(gòu)在單體之間填充5 mm 厚度的導(dǎo)熱膠，最高溫度為28.9 ℃，最高溫度增加了0.8 ℃，說(shuō)明導(dǎo)熱膠厚度對(duì)電池組散熱有影響；與b 結(jié)構(gòu)相比，c 結(jié)構(gòu)單體之間填充1mm厚度的導(dǎo)熱膠，最高溫度為23.2℃，最高溫度降低了5.7 ℃，冷卻效果較好；最高溫度曲線如圖3。

表3 電池參數(shù)

圖3 不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)最高溫度曲線圖

3.2 高溫工況下電池組溫度分布

冷卻液入口溫度25 ℃，采用單體之間填充1 mm厚度的 c 結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱膠圖 4（a）～（c）為高溫工況電池組溫度場(chǎng)分布。

圖4 高溫工況溫度場(chǎng)對(duì)比

如圖4，在30 ℃工況下，最高溫度為32.6 ℃，最大溫差為7.5 ℃；在35 ℃工況下，最高溫度為33.2 ℃，最大溫差為8.1 ℃，相較于30 ℃工況增加了0.6 ℃；在40 ℃工況下，最大溫度為33.4 ℃，最大溫差為8.3 ℃，相較于30 ℃工況增加了0.8 ℃，如表4、圖5 所示。可見隨著高溫工況溫度的增加，電池組最高溫度和最大溫差趨于平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)熱膠均衡了溫度場(chǎng)。

表4 高溫工況電池組溫度

圖5 最高溫度對(duì)比曲線圖

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)得到電池單體內(nèi)阻與SOC的擬合公式，根據(jù)擬合公式編譯UDF 更準(zhǔn)確的模擬電池單體的生熱速率，分別對(duì)不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)的液冷式電池組進(jìn)行仿真分析，得出（c）結(jié)構(gòu)為最優(yōu)散熱的一種導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)。利用最優(yōu)導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)在高溫工況下對(duì)導(dǎo)熱膠電池組散熱的影響進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：常溫工況下，導(dǎo)熱膠有助于電池組散熱作用，但其厚度過大會(huì)產(chǎn)生熱堆積；高溫工況下，所采用的（c）導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)有利于降低電池組最高溫度和改善電池組溫度場(chǎng)均衡性。