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，不但對環(huán)境造成破壞，還對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，會對電池的充放電效率、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]?？諝饫鋮s，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點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，缺點是潛熱能力較低，同時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。徐曉明等[6]對雙進(jìn)雙出的液冷管徑的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實驗得出：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)計參考。

1 鋰電池組模型

多個電池模組可以組成整車的電池組，為了簡化研究，本次只選擇長度方向有6 個電芯、寬度方向有4 個電芯的電池模組。冷卻管路沿著長度方向布置。電池模組與冷卻系統(tǒng)的示意圖如圖1 所示。定義沿著管路方向為X 方向，垂直管路方向為Y 方向，每4 個電芯中間放置一個鋁塊，鋁塊與每個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?？紤]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，長度65 mm，電壓3.7 V，容量3 200 mAh。為驗證模擬溫度的可靠性，對單體電芯進(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，對三個位置的溫度取平均值。環(huán)境溫度為22.5 ℃。由圖3 可知相對誤差不超過3.0%，模擬電池發(fā)熱可靠。

圖3 模擬溫度與實驗溫度誤差分析

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)方程與動量守恒方程為：

式中：p 為靜壓力；μ 為動力粘度。

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，這種溫度梯度對于整個電池模組而言是有害的[9]。對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)。因為鋁塊截面為中心對稱，定義最長的距離為L，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)

圖5 方案二(電芯等接觸面鋁塊模組設(shè)計)

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，物理時間為120 s。仿真計算過程中，對每個電芯單體的溫度和模組的平均溫度進(jìn)行監(jiān)測，對比基于不同設(shè)計方案下的電池模組溫度特性，評估兩種方案對電池模組的冷卻性能。在相同冷卻時間內(nèi)，通過電池單體的溫差和模組的平均溫度評價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，有利于布置實時溫度監(jiān)控點，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間變化的情況，由圖中看出，方案一設(shè)計電池模組在整個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間變化的情況

圖9 兩種方案電池模組平均溫度隨時間變化的情況

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，并對該方式進(jìn)行了模擬驗證，通過對比無接觸面變化的鋰電池模組的熱性能，結(jié)果顯示：相對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 ℃。