基于微通道液冷的動力電池熱管理性能分析

馬麗亞

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

由于能源短缺及環境污染問題，發展電動汽車已經成為汽車產業的趨勢[1]。而動力電池熱失控引起的熱安全問題對電動汽車整車安全有很大影響，為了保證電動汽車安全可靠運行，必須對電池組進行熱管理。

目前，動力電池熱管理方案主要分為四類：空冷、液冷、相變材料和熱管冷卻。熱管冷卻和相變材料冷卻如今仍在實驗室階段或者測試階段[2]。液冷相比空冷更能有效防止熱安全事故的發生，因而仍是當前研究熱點。袁昊等[3]設計了一種 U形管板式散熱結構，通過CFD軟件研究了進出口位置、管道直徑等參數對散熱效果的影響并通過ISIGHT對進口速度和溫度進行了優化，溫差可控制在2.6 ℃。厲曉瑩等[4]針對傳統液冷結構進行優化，提出了一種新型液冷結構，改善了電池包間溫差較大問題。HUO等[5]分析了小通道的水板冷卻系統對動力電池的冷卻效果，結果表明，動力電池的最高溫度隨著流道數量的增多和流量的增大而減少。

本文提出了一種基于微通道液體冷卻的熱管理方式，該方式采用5通道U形冷卻板，冷卻劑為 50%的乙二醇水溶液。基于此液冷方式，研究了冷卻參數對電池模組的散熱效果的影響，將電池組溫度控制在合理范圍內，并且滿足溫度一致性的要求。

1 實驗仿真

本文選用的電池為某公司生產的12 Ah磷酸鐵鋰軟包電池，表1為電池基本參數[6]。

表1 單體電池基本參數

2 幾何模型

2.1 電池組散熱結構

電池組結構模型由 6塊電池組成，電池兩側放置內含流道的冷卻板，冷板的側面分別布置冷卻通道的入口和出口，如圖1所示。

圖1 電池組散熱結構模型

2.2 冷卻板

本文采用的是U形冷卻板，每個冷卻板出、入口分別通過出口流通連接器和入口流動連接器連接，冷卻板的厚度均為2 mm、長度和高度均與電池尺寸一致，冷卻通道截面是邊長為1 mm正方形。冷卻板結構和尺寸如圖2所示。

圖2 冷卻板結構與尺寸圖

2.3 模型驗證

為驗證本文所建立電池模型的可靠性，對電池進行1 C恒流放電仿真，將仿真結果與相同條件下文獻[7]中數據進行對比，如圖3所示。經計算，相對誤差最大為4.15%，均在5%以內，因此，認為模型是可靠的。

圖3 恒倍率放電電壓變化對比曲線

3 邊界條件設置

冷卻板材料設置為鋁，電池外表面均設置為熱通量，電池外表面空氣處于自然對流狀態，自然對流換熱系數在3～5 W/(m2·K)范圍之內[5]。本文中將其設定為 5 W/(m2·K)，并且將整個物理場初始溫度均設置為25 ℃。

4 結果分析

冷卻劑流量及入口溫度、放電倍率等，均會對電池組散熱性能產生影響，通過改變冷卻劑流量與入口溫度，可以確保不同放電倍率下電池組溫度處于最佳工作區間。電池組合適溫度范圍為25～45 ℃，要求溫差不超過5 ℃。

4.1 冷卻通道數目對冷卻性能的影響

以1 C放電倍率為例，通過改變通道數目來研究冷卻性能，冷卻劑流量取9 cm3/s。

由表2數據可知，當通道數目從 1增加到 5時，Tmax和ΔT均降低了1.5 °C。這表明增加通道數目能改善冷卻性能和電池溫度一致性。另外，通道數目增加會使得冷板變薄，電池組重量減輕。同時，鋁的密度大約是冷卻液密度三倍，增加通道數目有利于提高電池組的能量密度，但是也會導致成本增加，因此，在后續研究中選擇五通道冷卻板。

表2 不同通道數下的最高溫度和最大溫差

4.2 冷卻劑流量對冷卻性能的影響

4.2.1 1 C放電倍率下冷卻劑流量的影響

研究不同冷卻劑流量對電池組冷卻性能的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知，當流量為6 cm3/s時，Tmax和ΔT分別為28.8 °C和3.8 °C；當流量增加到12 cm3/s時，Tmax和ΔT分別降低到 27.3 °C 和 2.3 °C。可以看出當冷卻劑流量增加時，電池組最高溫度降低，溫度一致性改善。但是當冷卻劑流量增加到一定程度時，電池組冷卻性能改善不明顯，即當流量從 12 cm3/s到 15 cm3/s時，Tmax僅降低 0.1 °C，而此時壓力損失從15.5 kPa增加到21.7 kPa。這是因為隨著流量的增加，流體會從電池中帶走更多的熱量。然而，當流量增加到一定值時，由于電池的橫向導熱系數小，流體不能有效地將電池中的熱量帶走。另外，較大的流量會導致較高的泵送功率損耗，這將會導致額外運行成本。圖5為1 C放電倍率下，冷卻劑流量最佳為12 cm3/s時的溫度分布。

圖4 1 C放電倍率下不同入口流量下的壓降、最高溫度和最大溫差

圖5 1 C放電倍率下，冷卻劑流量為12 cm3/s時電池溫度場

4.2.2 2 C放電倍率下冷卻劑流量的影響

當電池放電倍率增加時，電池產熱量也會增加，對電池熱管理要求更高。因此，在2 C倍率下改變冷卻劑入口流量來研究冷卻性能時，冷卻劑流量直接從9 cm3/s開始選取。

如圖6所示，當流量為9 cm3/s時，Tmax和ΔT分別為 32 °C 和 6.9 °C。當流量增加到 18 cm3/s時，Tmax和ΔT分別降低到 29.5 °C 和 4.5 °C，此時電池單元內的溫差已經可以控制到5 °C以內，滿足電池的安全性能要求，此時繼續增加冷卻劑的流量可以進一步降低電池組的最高溫度和最大溫差。

圖6 2 C的放電倍率下，不同入口流量下的最高溫度和最大溫差

綜合分析電池組在1 C和2 C放電時冷卻劑流量對冷卻性能的影響，可以看出增加冷卻劑流量可以有效降低電池組的最高溫度和最大溫差。

4.3 冷卻劑入口溫度對冷卻性能的影響

冷卻液入口溫度在實際工作過程中經常變化，而較低的入口溫度需要消耗更多壓縮機功率。因此，有必要研究冷卻液入口溫度對冷卻性能的影響。本文以2 C放電倍率為例進行研究。分別設置冷卻劑入口溫度為25 ℃和30 ℃，對冷卻劑流量為 9 cm3/s、12 cm3/s、15 cm3/s、18 cm3/s、21 cm3/s時的電池組最高溫度和溫差進行對比，結果如圖6所示。

由圖7可知，隨著冷卻液入口溫度降低，電池組Tmax顯著降低。隨著冷卻劑流量的增加，電池組Tmax降低。

圖7 不同冷卻劑入口溫度及流量下電池組的最高溫度

由表3數據可以看出在相同的冷卻劑流量下隨著溫度的改變，電池組最大溫差基本沒有變化；因此，認為冷卻劑入口溫度對電池組溫度分布均勻性基本無影響，而冷卻劑流量對其影響較大。

表3 不同冷卻劑入口溫度及流量下電池組的最大溫差

5 結論

文章針對一款軟包電池設計了微通道液冷結構，并基于此冷卻方式對電池組散熱性能進行仿真分析，得出以下結論：

1）增加冷卻劑流量可以在一定程度上降低電池組的最高溫度和最大溫差，但是在增加冷卻劑流量時，也要考慮泵送功率的損耗。因此，在實際應用中，應綜合考慮成本因素，選擇一個較高的冷卻劑入口流量。

2）降低冷卻劑入口溫度可以有效降低電池組最高溫度。在實際工程應用中，降低冷卻劑入口溫度是確保電池安全性的有效方法。