動力電池液冷系統設計及其場協同優化

成亞仙，霍為煒，郭陳棟，王 剛

（1.北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192；2.新能源汽車北京實驗室，北京 100192；3.中國質量認證中心，北京 100070）

1 引言

動力電池作為純電動汽車的主要元件構成，其工作溫度對于電池的使用性能有很大影響［1］，在合理的溫度工作范圍內有助于增長電池使用壽命［2］。因此，設計良好的動力電池熱管理系統，可以保證電池在特殊工況與環境下仍維持在合適的工作溫度［3］。

目前電池組冷卻方式［4］有風冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻等。液冷系統由于其良好的冷卻效果和比較成熟的控制方法使其成為熱管理方式最具商業化的其中之一［5］，也是學者們關注的重點。文獻［6］使用電子閥門技術比較串聯和并聯冷卻液回路，為平行的冷卻液回路提供了一種新方法，該方法縮小了不同模塊中電池的溫度差異。文獻［7］研究發現調整與優化冷卻液溫度和流速等參數可以將電池組表面溫度和溫差降低，在5C倍率放電時效果為最佳；文獻［8］研究的電池模塊液冷系統為一種蜂巢式結構，該電池模塊呈蜂巢式液冷板的結構上面設有進出口，使冷卻管道和電池組之間為360°環繞間接接觸，大幅度加強了換熱效果；文獻［9］通過改變液冷系統的冷板布置，使主散熱方向上的導熱系數優化至6W（/m·k）以上來增強電池冷卻系統的散熱效果。綜上所述，眾多研究者是根據冷板散熱裝置結構和參數優化的角度來分析電池冷卻系統的散熱效果。

以磷酸鐵鋰電池組為研究對象，運用計算流體力學CFD［10］建立鋰離子電池組和液冷管道三維模型，通過對冷卻管數量、冷卻液入口溫度、流速和管道入口分布四個變量下的電池組溫度場進行仿真，從場協同原理分析速度場和溫度場對電池散熱的協同作用，進而得出該液冷系統的冷卻效果。

2 場協同原理介紹

文獻［11］針對傳統傳熱學關于強化傳熱的理論，從流場和溫度場兩個矢量場自身和相互之間配合的角度，提出關于強化傳熱的新理論—場協同原理。

二維層流邊界層的方程為：

壁面處的熱流積分為：

式中：ρ、cp、λ—流體密度、比熱和導熱系數；u、v—x和y方向的速度；T—溫度；δt—邊界層厚度。

局部場協同角，利用下式求解：

體積平均協同角：

場協同示意圖，如圖1所示。速度與溫度梯度完全協同的兩種情況：圖1（a）中協同角為0°，流體加熱；圖1（b）中協同角為180°，流體冷卻。

圖1 場協同示意圖Fig.1 Field Synergy Diagram

3 動力電池模型建立

以磷酸鐵鋰電池為研究對象，單電池容量為19.6Ah。對磷酸鐵鋰電池計算模型進行簡化，簡化后的模型僅保留電池正負極端、電池芯等部分，電池單體長寬高為（160×7.25×227）mm，質量0.496kg。將10個單電池組成一個動力電池組，其結構，如圖2所示。

圖2 電池散熱系統結構模型Fig.2 Battery Pack Structure Model

箱體的長寬高為（180×140×247）mm，電池與電池之間留有5mm空隙。電池的熱物性參數，如表1所示，其中，λx、λy、λz為x、y、z三個方向上的平均導熱系數，冷卻液參數［12-13］，如表2所示。電池散熱系統采ICEM軟件劃分為六面體網格，如圖3所示。總網格數量約為100萬個。

表1 電池的熱物性參數Tab.1 Thermal Physical Parameters of the Battery

表2 冷卻液的熱物性參數Tab.2 Thermal Physical Parameters of the Coolant

圖3 電池組網格模型Fig.3 Battery Pack Mesh Model

外界初始溫度為25℃，液體流動模型為k-ε湍流模型。邊界條件有：入口、出口和固體壁面邊界。流體與固體的接觸面為流固耦合傳熱邊界，冷卻液入口為速度入口，冷卻液出口為壓力出口。電池為發熱源，對于其內源熱的設定，在fluent軟件中對其產熱量設定通過UDF程序編譯。

4 仿真分析及參數優化

通過調整冷卻管道數量、冷卻液入口溫度、流速和流道分布等四個參數，對冷卻模型進行仿真，利用場協同原理［14］仿真分析以上變量對電池液冷系統冷卻性能的影響。

4.1 冷卻管道數量對冷卻性能的影響

在不改變管道接觸的散熱面積，僅改變冷卻管數量的前提下，一般液冷系統的冷卻管以6根居多，為了研究冷卻系統的散熱均勻性設置其數量分別為6、8、10根。模型中6根散熱管道結構，如圖4所示。仿真得到電池模組截面溫度云圖，如圖5所示。在不同管道參數下仿真得到的溫度數據，如表3所示。

表3 不同管道數量溫度數據Tab.3 Temperature Data of Different Number of Cooling Pipes

圖4 6根冷卻管道模型圖Fig.4 Model Diagram of 6 Cooling Pipes

圖5 電池組在6、8、10根冷卻管道下的溫度云圖Fig.5 Temperature Contours of Battery Module in 6，8 and 10 Cooling Pipes

從表3中可以看出，8根冷卻管系統的電池組表面溫度最小為37.72℃，而溫差最小的是10根冷卻管道為4.46℃。從冷卻效果來看，冷卻管道數量增加與電池溫度降低并不是呈正相關。這是由于冷卻管道與電池表面接觸面積分布均勻使電池組表面溫度不易下降，而冷卻液在電池組表面分布越均勻其溫差便會越小?？梢杂^察到電池組降溫效果最佳為8根管道，溫度分布最均勻為10根管道，該結構具有較好的一致性。

4.2 冷卻液溫度對冷卻性能的影響

將液冷系統入口流速設定為1L/min，在上述模型中選取10根冷卻管道的散熱結構，如圖6所示。其溫度監測點，如圖7所示。其中①處為溫度與協同角最高點，故選取它來進行研究對比。對冷卻液溫度在15℃、20℃、25℃時仿真，其仿真結果，如圖8所示。

圖7 監測點分布圖Fig.7 Distribution Map of Monitoring Points

圖8 不同溫度下電池組溫度云圖Fig.8 Temperature Contours of Battery Module with Different Temperatures

由圖8可知，在一定范圍內，冷卻液溫度降低與電池模組的最高溫升呈負相關；由表3可知，電池組表面的最高溫度分別為34.24℃、37.72℃、39.59℃。由此可知，降低冷卻液溫度可以有效減小電池組表面溫度，但也放大了電池組內部的溫差，因此無法完全改善電池組的整體冷卻效果。

不同冷卻液溫度下，協同角在中心截面的分布，如圖9所示。從圖中可以看出，整體電池組截面的協同角普遍偏大，電池組內部熱對流現象還有巨大優化空間。根據式（3）對截面進行積分可以得到不同流速下電池組平均協同角，如表4所示。如表所示，隨著冷卻液溫度降低，溫度梯度與速度的夾角在減小。

表4 監測點①處不同冷卻液溫度數據Tab.4 Temperature Data of Different Coolant at Monitoring Point

圖9 電池中央截面的協同角分布Fig.9 Synergistic Angular Distribution of the Central Section of the Battery

4.3 流量對冷卻性能的影響

為了研究冷卻液流量對該電池組液冷系統冷卻性能的影響，將冷卻液入口流量分別設定為1L/min、1.5L/min、2L/min。仿真結果，如圖10所示。

圖10 不同流量下電池組溫度云圖Fig.10 Temperature Contours of Battery Module with Different Flow Rates

由圖10可知，在冷卻液流量持續增加中，該電池組的表面溫度整體在下降，冷卻性能也逐步得到提高。隨著冷卻管道中液體流量的增多，冷卻液的流速也隨之提高，冷卻液中的熱交換能力也得到了提升。

不同流速下的溫度對比，如表5所示。當流量為1L/min通過1h 放電的模組時，最高溫度達到39.59℃，流量為1.5L/min 時為36.52℃，流量為2L/min時達到34.17℃。電池組溫度隨著冷卻液流量的增加而降低，變化趨勢基本上保持不變；溫差隨著流量的增加而緩慢升大。

表5 不同流速下溫度數據Tab.5 Temperature Data at Different Flow Rates

這是因為鋰離子模塊和冷卻液之間的熱交換隨著冷卻流量的增加趨于逐漸平衡反應，有效在一定程度上增大流量改善該電池組的冷卻效果。

協同角在電池中央截面的分布，如圖11所示。從圖中可以看出，在層流領域隨著流量的增大，冷卻管中液體的流速矢量和溫度梯度矢量的協同角有所降低，有利于電池組通過增進流量進行散熱。

圖11 不同流量下協同角的分布Fig.11 Synergistic Angular Distribution in Different Flow Rates

4.4 不同流道對冷卻性能的影響

根據冷卻管道流體的協同分析可知，在不改變流道結構的情況下，只增加管道流速，換熱強度的增加并不明顯。因此，本節在場協同理論的指導下采用并行式多流道的方法進行設計和分析。其模型結構為s串行和多s并行來實現多入口形式。

三種冷卻液出入口流道結構，如圖12所示。

圖12 不同流道結構圖Fig.12 Structural Diagram of Different Flow Channels

當采用三入口結構時，電池組溫度分布合理性明顯優于其他兩種結構，如圖13所示。不同進出口結構下溫度數據比較，相比單入口結構，三入口結構最高溫度與內部最大溫差均為最佳，如表6所示。可見在一定范圍內，多入口模式有利于電池組溫度均勻性以及電池冷卻。

表6 不同進出口結構溫度數據Tab.6 Temperature Data of Different Inlet and Outlet Structures

圖13 電池組溫度云圖Fig.13 Temperature Contours of Battery Module

5 結論

在所建立的原模型基礎上，設計了不同冷卻管道流道。通過對不同流道結構的模型進行仿真，以及調整冷卻液流量、冷卻液溫度、流道進出口參數，結果表明：冷卻液溫度和流量參數對冷卻效果影響較大，在一定范圍內，合理冷卻液降低溫度與增大流量可降低電池組表面的最高溫度。

通過仿真可以得出，冷卻液進口多的方案能夠在一定程度上減小該電池組的最大溫差。

最后，根據場協同原理，詳細地闡述了在不同的流量、不同冷卻液溫度下，對并行式多流道的冷卻性能，對于單流道進行了解釋；分析和優化了多進出口電池模型的冷卻性能，為動力電池液冷協同設計及優化提供了理論基礎。