基于蛇形通道的電池組液冷方案設計與優化

王明悅，林家源，劉新華，張金剛，閆嘯宇，楊世春，*

（1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100083；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

隨著新能源電動汽車的快速發展，動力電池也逐漸引起廣泛關注，而工作溫度是影響動力電池輸出性能的決定因素之一［1］。對于備受青睞的鋰離子動力電池，其適宜的工作溫度范圍在0～55℃，最佳的工作范圍僅為20～35℃［2］。當環境溫度過低時，鋰離子電池的充放電電壓迅速降低，內阻急劇增大，從而導致充電困難，加大析鋰的可能，引發衰減或安全事故；當環境溫度過高時，電池的使用壽命會迅速衰減，自放電現象加劇，甚至會誘發熱失控事故［3］。因此，應用熱管理技術控制動力電池工作在適宜溫度范圍內對電動汽車行駛安全性具有重要意義。

電池熱管理的方式主要有4種：空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻［4］。

空氣冷卻又稱風冷，利用流經電池表面的空氣帶走電池內部產生的熱量，簡單易行、成本低，是發展最成熟的一種方式，現階段對風冷的研究主要集中在改善系統結構［5-6］、發展新模型［7-8］、優化控制策略［9-10］等方面，但空氣冷卻散熱效率低、溫度一致性差，在實際應用層面正逐漸被取代。

相變材料冷卻和熱管冷卻是較新型的電池熱管理方式。相變材料（phase change material，PCM）發生狀態變化時會吸收或釋放大量的相變潛熱，Mills和Al-Hallaj［11］通過實驗證明，即使在高倍率放電的情況下，利用PCM的這一特性也能顯著改善電池系統性能，且冷卻效果遠遠優于風冷。但PCM作為一種單純的儲熱元件并不能很好地傳遞出其自身的熱量，所以往往將其他散熱策略與相變材料結合使用［12-13］。熱管是一種有效的傳熱元件，導熱能力非常強，近年來以其自身導熱高效、布置簡便等優點被應用于熱管理系統中，在電池組原散熱策略中引入熱管結構后，電池被證明能夠在限定溫度范圍內實現連續更多次的充放電循環，且溫度控制更加準確［14］。雖然在散熱/加熱速率、保持電池組溫度分布均勻性等方面熱管冷卻均有很大優勢［15-16］，但目前該技術在熱管理領域仍處于實驗室階段，很少有實際應用。

液體冷卻的常見方法是將冷卻液注入管道或其他形狀的散熱結構中，通過低溫液體的循環流動帶走電池產生的熱量。Pendergast等［17］將電池用鋁模塊包裹，然后放入水中冷卻，該實驗簡明扼要地闡釋了液冷系統的本質。優化結構設計是很多學者的研究重點，冷卻液通道的位置、數目、流向等對系統的冷卻性能有不可忽視的影響［18-19］。Basu等［20］還提出了在流體一側焊接冷卻翅片的方式強化冷卻，翅片在固定電池的同時起到了擴大換熱面積的作用，大大提高了液體的冷卻效率。另外，采用新型制冷工質作為冷卻劑的研究也較為普遍，如銅-水納米流體［21］、電子冷卻液NOVEC 7000［22］、液態金屬［23］等都被證明能夠有效提高系統的冷卻性能。綜合比較，液冷方式憑借其在冷卻效率、能耗、可操作性等多個方面的優勢，已經成為目前動力電池熱管理研究和應用的主流［24］，市場中的特斯拉Model S、奧迪A3、通用Volt等都是應用了液冷技術的車型。

1 電池組液冷系統設計

1.1 鋰離子電池生熱特性

鋰離子電池在實際充放電過程中的反應機理十分復雜，現常把其生熱來源分為4部分［25］：與熵變有關的反應熱、因內阻引起的焦耳熱、極化熱及由副反應產生的熱量。建立熱模型是模擬電池工作過程中溫度變化的有效手段，電池熱模型描述了電池熱量的產生、積累和傳遞過程。圓柱形電池的方程如下：

式中：ρ為電池密度；Cp為電池比熱容；T為電池溫度；τ為時間因子；Qb為電池生熱量；kr、kφ、kz分別為圓柱形電池沿徑向、周向、軸向的導熱系數。

Bernardi等［26］在電池內部溫度場均勻一致性假設的基礎上提出了電池的生熱功率公式，該公式將電池處理為均勻熱源，溫度隨時間變化。而電池的熱量只來自于2方面，因內阻引起的焦耳熱和因電化學反應引起的熵變熱，即

式中：Eoc為電池在平衡狀態下的開路電壓；E為實際工作電壓；I為工作電流；d Eoc/d T為熵權系數。電池的等效內阻Rr為歐姆內阻RΩ和極化內阻Rp之和，即有

所以，電池放電過程中總的生熱功率為

1.2 基于蛇形通道的液冷結構

某款純電動物流車的電池系統由10個相同的模組串聯組成，如圖1所示，其中電池單體為18650型鋰離子電池，模組內共171顆電芯形成19并9串連接。

圖1 電池模組結構Fig.1 Structure of battery module

如圖2所示，冷卻液流道穿插布置在模組中，整體上設計為“S”形，兩端分別為入口和出口，每列電芯的一側與冷卻管道接觸。在細節上，采取“蛇形”的細小扁管設計，由于電池箱中電芯排列較為緊密，冷卻液扁管狀流動通道的預留寬度僅為2.5 mm。流道在其與電芯接觸處有一定的彎曲弧度，以達到與電芯貼合的效果，更多地帶走電池產生的熱量。顯而易見，當接觸夾角θ越大時，冷卻管道與電芯之間的接觸面積越大，傳遞的熱量越多，冷卻效果就越好，但θ過大又會使冷卻液流動時受到的阻力和壓強損失增大，系統的能耗增加，參考文獻［27］中關于接觸換熱面積對散熱效果影響的研究，取θ角為60°；同時，考慮流道結構平滑過渡及其緊湊性，取圖中靠近直角彎道處θ′為30°，以此滿足：①冷卻管道與電芯接觸面積適中以保證散熱效果；②冷卻液流動時壓力損失小以減少水泵功率消耗。

圖2 冷卻液流動通道Fig.2 Coolant flow channel

1.3 液冷系統仿真模型

由于電池組內部結構較復雜，為了提高計算效率，忽略其中對溫度場影響較小的部件，如固定板、螺栓、線束等，利用COMSOL軟件建立仿真模型、劃分網格并進行瞬態計算。

圖3為電池組液冷結構網格模型，無冷卻結構時，電池組放置于空氣域中，采用自由四面體網格；有液冷結構時，冷卻液流體流動采用k-ω湍流模型［28-29］，入口為0.015 kg/s質量流量邊界，出口為壓力邊界且靜壓為0，冷卻液與流道界面設邊界層，流道與電芯間設接觸熱阻為0.002 5 m2·K/W［20］，電池及冷卻液流道與空氣接觸的部分設為自然對流換熱，換熱系數取5 W/（m2·K）。

圖3 電池組液冷結構網格模型Fig.3 Grid model of battery pack liquid cooling structure

根據Bernardi方程的適用條件，將單體電池視為一個均勻熱源，生熱功率即為式（5）；同時，將其熱容和導熱系數均視為常數，不隨外界溫度和電池荷電狀態的變化而變化。有實驗證明，在該假設條件下，圓柱形鋰離子電池單體的實際溫升與仿真溫升的誤差在可接受范圍之內，且溫升趨勢相近［30］，故認為所建模型基本符合電池實際生熱情況。冷卻液工質為體積分數50%的乙二醇溶液［31］；冷卻液流道以鋁合金為材料，由于結構尺寸較小假設其熱物性參數恒定。上述材料的熱物性參數如表1所示。

表1 材料熱物性參數Table 1 Thermophysical parameters of mater ial

2 電池組溫度場仿真分析

2.1 無冷卻結構

分別以初始溫度為25℃和35℃做瞬態研究，得到不同放電倍率下電池完全放電時的平均溫升和最大溫差曲線，如圖4所示。以初始溫度25℃為例，當放電倍率從1 C增加到2.5 C時，電池組的平均溫升從15.417℃增長到29.314℃，而最高溫度則達到了61.775℃，同時模組內溫差從12.456℃增長到24.519℃。如圖5所示，模組的最高溫度Tmax和平均溫度Tmean都隨著電池的工作過程不斷升高，在放電結束時刻，越靠近中心位置的電芯溫度越高，這是因為四周位置的電池相對中心電池有更好的散熱條件，隨著電池的不斷放電，邊緣與中心位置的電芯溫差逐漸增大；而且高放電倍率對應大放電電流、短放電時間，產生的熱量多，同時，較短的放電時間使得熱量來不及向外以傳遞從而不斷積累，導致溫升越大。

圖4 無冷卻結構電池組特征溫度Fig.4 Characteristic temperature of battery pack without cooling structure

圖5 初始溫度25℃、1 C放電工況Fig.5 1 C discharge condition at initial temperature 25℃

2.2 液冷散熱結構

電池最佳工作溫度范圍上限35℃為初始溫度，如圖6所示，加入液冷散熱結構后的仿真結果與無冷卻模組特征溫度對比，顯然，液冷結構使得電池組的最高溫度和溫差都有明顯下降，能夠實現降低電池溫升和溫度的不一致性，即使電池以2.5 C倍率完全放電，最高溫度也未超過35℃。但隨著電池放電倍率的增大，模組內溫差逐漸增大，當放電倍率達到2 C以上時，模組內溫差已經大于10℃。

圖6 電池組最高溫度和溫差Fig.6 Maximum temperature and temperature difference of battery pack

圖7為放電結束時刻電池組溫度分布云圖，與無冷卻結構電池組相比最高溫度點的位置發生變化，這是因為冷卻液在流動過程中會帶走電池產生的熱量，所以沿著流動方向冷卻液的溫度漸漸升高，出口位置冷卻液的溫度甚至達到了25℃以上，與電芯交換的熱量逐漸減少，散熱效果較差。另外在結構上，由于冷卻液流道S形彎道處與電芯的接觸角僅為30°，較小的接觸面積及相對入口較高的冷卻液溫度使得第二彎道處的散熱效果變差。

圖7 高溫工況液冷散熱電池組溫度云圖Fig.7 Temperature contour of liquid cooling battery pack under high temperature condition

3 優化設計與仿真

如圖8所示，對蛇形冷卻液流道進行結構上的優化：整體外觀改為U形以縮短流道長度，單支流道冷卻的電芯數量減少；此時可將原直角彎道處30°的接觸角增大到60°，未造成流動損失的增加并且擴大了散熱面積。同時，冷卻液的流量也會對散熱效果產生較大影響，故考慮采用在電池大倍率放電時適當增大冷卻液流量以降低電池組的最高溫度。

圖8 冷卻液流道優化結構Fig.8 Optimized structure of coolant flow channel

表2為初始溫度為35℃的高溫工況下，不同條件下電池組的最高溫度、溫差及冷卻液出口溫度等。

表2 優化方案高溫工況電池組特征溫度Table 2 Characteristic temperature of battery pack under high temper ature condition in optimized scheme

如圖9所示，優化后的U形液冷結構使得電池組的最高溫度和最大溫差均有下降，冷卻性能得到提高。電池以2 C及2.5 C倍率放電時，增大冷卻液流量的方法使溫差分別降低了1.86℃和3.066℃，并且以2.5 C大倍率放電時溫差也僅為7.769℃，實現了將溫差控制在10℃之內的要求。從溫度分布云圖（見圖10）可以看出，此時模組內最高溫度點的位置也有所變化，與原S形流道相比，電池組的溫度分布更均勻。

圖9 不同結構、策略條件下電池組特征溫度對比Fig.9 Comparison of battery pack characteristic temperature under different structures and strategies

圖10 優化方案高溫工況電池組溫度云圖Fig.10 Temperature contour of battery pack under high temperature condition in optimized scheme

4 結論

本文針對某款純電動物流車的電池模組設計了一種基于蛇形通道的液冷散熱結構，并建立了對應的仿真模型。通過分析該模型在不同環境初始條件、不同電池放電倍率、不同冷卻液流量的仿真結果，得到了適用于電池模組的熱管理方案，具體結論如下：

1）無冷卻結構時，相同初始條件下，電池放電倍率越高，電池組的最高溫度、最大溫差越大，常溫25℃時，電池完全放電后模組最高溫度遠遠超過最佳工作溫度上限。

2）提出的基于蛇形通道的液冷結構能夠明顯改善電池組的工作條件，與無冷卻結構的電池模組相比，在35℃高溫工況下，液冷系統使得電池組最高溫度、平均溫升、最大溫差3項指標都出現下降趨勢。

3）采用適時增大冷卻液流量的方法，優化后的液冷結構能夠使電池模組工作于最佳溫度20～35℃，同時滿足溫差小于10℃的要求。