液冷板結(jié)構(gòu)對電池模組液冷性能的影響研究

付 平， 畢 杰， 楊明飛

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266061)

新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展是未來電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢，電池系統(tǒng)作為新能源電動(dòng)汽車的一個(gè)核心綜合動(dòng)力系統(tǒng)，對于電動(dòng)汽車的安全穩(wěn)定和正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1-2]。隨著人們對電動(dòng)汽車充電時(shí)間和續(xù)航時(shí)間要求的提高，電池充放電倍率和能量密度越來越高，電池系統(tǒng)的發(fā)熱量急劇增大。而電池對高溫非常敏感，其使用壽命和性能會(huì)受其影響，溫度過高甚至?xí)?dǎo)致電池起火爆炸等嚴(yán)重事件，威脅乘客的生命安全。如今，傳統(tǒng)風(fēng)冷已難以滿足散熱需求，這就對電池的熱管理提出了更高的要求。液冷由于散熱快、效果好，越來越受重視[3-4]，而液冷板作為液冷系統(tǒng)中的重要組成部分，其幾何形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對液冷性能有著重要影響。因此研究電池系統(tǒng)液冷板的結(jié)構(gòu)影響，得出合理的方案，對電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要意義。

1 模型建立與邊界條件

1.1 三維模型建立

本文建立了三種不同結(jié)構(gòu)的液冷板簡化模型，研究液冷板結(jié)構(gòu)對鋰電池模組液冷性能的影響，簡化后的模型須保證與實(shí)際相符，且能呈現(xiàn)液冷板的特點(diǎn)。三款液冷板簡化模型分別為電池模組上置式單進(jìn)出水口液冷板模型(記為A 液冷板模型)，電池模組上置式雙進(jìn)出水口液冷板模型(記為B 液冷板模型)，電池模組內(nèi)置式雙進(jìn)出水口液冷板模型(記為C液冷板模型)，其三維圖如圖1 所示。

液冷板模型的長寬高分別為870、830、10 mm，壁厚為2 mm，液冷管間距離為30 mm，A、B 液冷板模型皆安裝在鋰電池模組底部，即電池模組上置于液冷板。C 液冷板模型將電池模組置于其間，即電池模組內(nèi)置于液冷板。B、C 液冷板模型皆采用雙進(jìn)水口和雙出水口設(shè)計(jì)。

圖1 不同液冷板三維模型

1.2 計(jì)算模型

為簡化計(jì)算，在計(jì)算前對研究對象進(jìn)行假設(shè)：設(shè)電池單體之間的熱傳遞方式為熱傳導(dǎo)，電池模組熱量主要由冷卻液循環(huán)帶走，冷卻液不可壓縮且與液冷板之間無滑移，液冷板無熱變形[5-6]。

液冷板內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)分為湍流和層流，其判別標(biāo)準(zhǔn)為雷諾數(shù)的大小。一般認(rèn)為，當(dāng)雷諾數(shù)小于等于2 000 時(shí)，冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)為層流；雷諾數(shù)大于等于4 000 時(shí)，冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)為湍流[7]。其計(jì)算公式為：

式中：v 為粘性系數(shù)；u 為流體流速；d 為特征長度。

冷卻液在實(shí)際使用中為水和乙二醇的混合物，因此，本文采用50%(體積分?jǐn)?shù))的乙二醇溶液為冷卻液，其物理參數(shù)如表1 所示[8]。

表1 50%(體積分?jǐn)?shù))的乙二醇溶液性質(zhì)

經(jīng)計(jì)算，冷卻液流動(dòng)方式為湍流，因此用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 湍流模型，該模型中的流動(dòng)能和耗散率分別為：式中：k 為湍動(dòng)能；ε 為湍動(dòng)能耗散率動(dòng)能的生成率；σk為湍動(dòng)能對應(yīng)的普朗特系數(shù)；σε為湍能耗散率對應(yīng)的普朗特系數(shù)。

Gk為湍動(dòng)能生成率，其計(jì)算公式如下：

μt為湍流粘度，其計(jì)算公式為：

經(jīng)查閱資料[9]，各參數(shù)值為Cu=0.09，σk=1.22，Cσ1=1.44，Cσ2=1.92。

1.3 邊界條件

在FLUENT 中將熱源定義為電池，在材料設(shè)置界面中輸入電池生熱功率和乙二醇溶液的參數(shù)，電池不同倍率的生熱功率如表2 所示。

表2 不同放電倍率下電池的生熱功率

液冷板進(jìn)水口采用速度入口邊界條件，冷卻液流動(dòng)速度設(shè)為0.2 m/s，冷卻液的初始溫度為311 K，水力直徑為20 mm，湍流強(qiáng)度5%。出水口設(shè)置為出流邊界，電池模組放電倍率設(shè)置為0.7 C，對流換熱系數(shù)設(shè)置為3 W/(m·K)。

2 液冷仿真結(jié)果與分析

2.1 A 液冷板模型仿真結(jié)果與分析

當(dāng)環(huán)境溫度為311 K，放電倍率為0.7 C 時(shí)，電池模組溫度及A 型液冷板溫度變化仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 0.7 C放電電池模組及A液冷板溫度

由圖2 可知，此時(shí)電池模組的最高溫度與最低溫度分別為320 和312 K，根據(jù)建模仿真的具體情況，可認(rèn)為電池模組的有效最低溫度約為314 K，最高溫度與最低溫度之間相差6 K。最高溫度在電池模組中間處，最低溫度在電池液冷板與電池模組貼合處。液冷板的最高溫度與有效最低溫度分別為313 和311 K，分別位于其出水口處與進(jìn)水口處，冷卻液溫度逐漸升高，與其在液冷板內(nèi)流動(dòng)路程呈正相關(guān)，具體溫度升高為2 K。

2.2 B 液冷板模型仿真結(jié)果與分析

當(dāng)環(huán)境溫度為311 K，放電倍率為0.7 C 時(shí)，電池模組及B液冷板模型溫度變化仿真結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，此時(shí)電池模組的最高溫度319.5 K 與有效最低溫度313.5 K 之間相差6 K。液冷板的最高溫度與最低溫度分別為311.7 K 和311 K，同樣在出水口處與進(jìn)水口處，隨著流動(dòng)路程的增長，冷卻液溫度不斷升高，溫度升高0.7 K。

2.3 C 液冷板模型仿真結(jié)果與分析

當(dāng)環(huán)境溫度為311 K，放電倍率為0.7 C 時(shí)，電池模組及C液冷板模型溫度變化的仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖3 0.7 C放電電池模組及B液冷板溫度

圖4 0.7 C放電電池模組及C 液冷板溫度

由圖4 可知，此時(shí)電池模組的最高溫度317.5 K 與最低溫度314 K 之間相差3.5 K。液冷管的最高溫度與最低溫度則分別為312.1 和311 K，溫度相差1.1 K。

2.4 仿真結(jié)果比較與分析

為了使仿真模擬更具有說服性和可靠性，本文還在自然冷卻以及0.5 C 和1 C 放電條件下對電池模組的散熱進(jìn)行了建模仿真，并與0.7 C 放電的仿真模擬進(jìn)行了對比。

2.4.1 最高溫度變化的仿真結(jié)果比較

在不同放電倍率下對自然冷卻以及采用不同結(jié)構(gòu)液冷板冷卻的電池模組進(jìn)行建模仿真，并將其最高溫度結(jié)果整理繪制為柱狀圖，如圖5 所示。

圖5 自然冷卻及不同結(jié)構(gòu)液冷板冷卻電池模組最高溫度變化柱狀圖

通過圖5 的分析可知，水冷可以降低電池模組的最高溫度，且放電倍率越大，降溫效果越明顯，是一種理想的冷卻方式。隨著電池模組放電倍率的增加，電池模組的發(fā)熱量明顯增加，但雙進(jìn)出水口和內(nèi)置式結(jié)構(gòu)可以減緩溫度上升速度。具體表現(xiàn)為：B 液冷板結(jié)構(gòu)相比于A 液冷板結(jié)構(gòu)可以起到一定的降溫作用，但效果并不明顯，且降溫不均勻，因此單純的增加進(jìn)出水口并不是理想和有效的降溫形式；C 液冷板結(jié)構(gòu)不僅可以降低電池模組的最高溫度，而且可以減緩溫度上升速度，效果明顯，內(nèi)置式結(jié)構(gòu)可以看作是一種較好的液冷板結(jié)構(gòu)。因此我們可以認(rèn)為雙進(jìn)出水口的內(nèi)置式結(jié)構(gòu)是一種較為理想的液冷板結(jié)構(gòu)。

2.4.2 溫差大小的仿真結(jié)果比較

在不同放電倍率條件下，將電池模組最高溫度和最低溫度以及液冷板內(nèi)冷卻液最高溫度和最低溫度的差值仿真結(jié)果進(jìn)行整理，繪制折線圖，如圖6 所示。

圖6 電池模組及液冷板冷卻液溫差折線圖

分析圖6 可知，隨著電池模組的放電倍率增大，電池模組的溫差以及液冷板內(nèi)冷卻液的溫差隨之升高。同一放電倍率下，單純采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)比單純增加進(jìn)出水口對電池模組的溫差影響要大，即降溫效果較好。單純增加進(jìn)出水口對冷卻液溫差降低明顯，在采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)后，溫差反而上升。這是因?yàn)樵黾舆M(jìn)出水口后加速了冷卻液流動(dòng)，從而使其溫差減小。采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)后，增加了液冷板與電池模組的接觸面積，大量熱量通過熱傳導(dǎo)形式傳遞到冷卻液中，增大了其溫差，也間接說明其冷卻效果較好。同時(shí)，內(nèi)置式結(jié)構(gòu)中高溫區(qū)域面積較小，亦說明其冷卻效果較好。因此可以得出結(jié)論：內(nèi)置式液冷板結(jié)構(gòu)散熱性能較為優(yōu)越，而增加進(jìn)出水口可以降低冷卻液溫差，可以認(rèn)為雙進(jìn)出水口的內(nèi)置式結(jié)構(gòu)是一種較為理想的液冷板結(jié)構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

本次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證C 型液冷板冷卻效果，模擬使用環(huán)境溫度為38 ℃，電池模組0.7 C 放電，實(shí)驗(yàn)的電池模組實(shí)物以及充放電測試系統(tǒng)如圖7 所示。

圖7 電池模組實(shí)物以及充放電測試系統(tǒng)

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將滿電的電池模組在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)靜置30 min；(2)以0.7 C、84 A 電流恒流放電至單體電壓為3.2 V；(3)記錄并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；(4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理。

3.2 數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

實(shí)驗(yàn)過程中，每過10 min 記錄一次仿真的結(jié)果，并將其換算為攝氏溫度，最后根據(jù)兩組數(shù)據(jù)結(jié)果繪制成折線圖，如圖8 所示。

分析圖8 可知，電池模組的實(shí)驗(yàn)溫度和仿真溫度，走勢趨于一致，都是隨時(shí)間的增加而升高，且上升的速度逐漸降低。電池模組最終實(shí)驗(yàn)溫度比仿真溫度約低2 ℃，液冷效果比仿真預(yù)期更好，且在允許范圍以內(nèi)，因此可以判斷仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性與可靠性。

圖8 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

4 總結(jié)

本文研究了在一定放電倍率下，不同液冷板結(jié)構(gòu)對鋰電池模組水冷散熱的影響。結(jié)果表明，在相同放電倍率時(shí)，增加進(jìn)出水口可以降低冷卻液溫度，但對電池模組冷卻效果不明顯；內(nèi)置式結(jié)構(gòu)冷卻效果較為明顯，是一種理想的液冷板結(jié)構(gòu)。不同倍率放電時(shí)，放電倍率越高，內(nèi)置式結(jié)構(gòu)對電池模組的冷卻效果越明顯。因此，確定了內(nèi)置式雙進(jìn)出水口(C型)液冷板是一種較為理想的冷卻板結(jié)構(gòu)。通過測試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用該液冷板結(jié)構(gòu)的電池模組，放電時(shí)溫度上升值的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值較小，且變化趨勢較吻合，從而驗(yàn)證了仿真模型的有效性與可靠性，對于電動(dòng)汽車的電池發(fā)熱研究具有一定的指導(dǎo)意義。