基于大平板熱管的電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)及仿真

劉 彬，胡子強(qiáng)，李夔寧，謝 翌，鄭錦濤

（1重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；3重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400044）

21 世紀(jì)以來(lái)，新能源汽車技術(shù)成為各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。而從近幾年電動(dòng)汽車安全事故統(tǒng)計(jì)來(lái)看，電池安全成為影響電動(dòng)汽車安全的主要問(wèn)題。溫度是影響電池高效安全運(yùn)行的重要因素之一，一直受到廣泛關(guān)注[1-2]。鋰電池最佳工作溫度范圍為25～45 ℃[3-4]，而在快充條件下，電池充電倍率較大，熱量快速聚集使電池溫度迅速升高。對(duì)于鋰電池而言，過(guò)高的溫度會(huì)加速電池容量衰減；同時(shí)電池溫度的不均勻性可能造成電池組局部發(fā)生形變引發(fā)危險(xiǎn)。因此，必須采取有效的熱管理措施對(duì)電池工作溫度加以控制。

風(fēng)冷散熱主要分為串行和并行兩種散熱方式[5-6]。然而空氣散熱效率較低，且均溫性差，在溫度較高的環(huán)境工況下難以發(fā)揮作用。液冷散熱效率相對(duì)較高，但為保證模組均溫性，需設(shè)計(jì)復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)；同時(shí)，液冷存在漏液風(fēng)險(xiǎn)。相變材料利用相變吸熱原理應(yīng)用于電池?zé)峁芾韀7-9]，但材料本身導(dǎo)熱能力較差，且質(zhì)量較大，增大電動(dòng)汽車負(fù)荷。

平板熱管利用內(nèi)部液體工質(zhì)相變吸熱，換熱系數(shù)高、均溫性強(qiáng)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中。Tang等[10]將L型燒結(jié)熱管布置在電池單體之間，建立了電池包散熱模組，熱管冷端浸沒(méi)于水槽中進(jìn)行散熱。實(shí)驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，電池包產(chǎn)熱功率越大，系統(tǒng)的散熱效率越高。周鑫晨等[11]組裝了熱管及相變材料耦合的熱管理系統(tǒng)，相變材料通過(guò)相變潛熱吸收電池包的熱量。隨后相變材料的放熱通過(guò)熱管散熱的方式在固化階段消散。田晟等[12]搭建了基于熱管嵌于鋁板的鋰電池散熱模組，利用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)方法，針對(duì)影響模組散熱的各因素進(jìn)行權(quán)重分析，結(jié)果表明，各因素對(duì)最高溫度的影響程度依次為：熱管冷凝段對(duì)流傳熱系數(shù)＞熱管冷凝段長(zhǎng)度＞鋁板厚度＞熱管間距。Jia 等[13]構(gòu)建了一個(gè)將復(fù)合板和熱管結(jié)合在一起的三維電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并結(jié)合了垂直管和水平管的平板管熱散熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)比單管更高的綜合冷卻效率。

目前，在基于熱管的動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)的研究中仍有問(wèn)題尚未解決。一方面，在布置熱管時(shí)，電池未與熱管接觸部分的熱量無(wú)法較快釋放，使得電池表面溫差增大，影響電池組的溫度均勻性；同時(shí)，目前使用較多的熱管布置形式是將熱管夾在電池單體之間，形成熱管陣列。這類形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且整個(gè)散熱系統(tǒng)重量大，增大了電動(dòng)汽車負(fù)荷?；谶@些問(wèn)題，本工作設(shè)計(jì)了一種基于反重力大平板熱管的電池散熱系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并在不同工況下對(duì)電池組溫升特性進(jìn)行了研究。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 單體電池產(chǎn)熱模型

單體電池的產(chǎn)熱基于能量守恒方程進(jìn)行描述[14]

式中，cp為比熱容，J/(kg·K)；ρ為密度，kg/m3；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；Q為內(nèi)熱源，W/m3。

電池單位體積生熱率Q由可逆熱Qv和不可逆熱Qi組成[15]

式中，發(fā)生在電池內(nèi)部電極和電解液表面的電化學(xué)可逆反應(yīng)產(chǎn)熱為可逆熱，由公式(3)、(4)表達(dá)[16]

根據(jù)Bernardi的生熱速率模型[17]，可以較為方便構(gòu)建電池產(chǎn)熱模型，模型方程如下

1.2 HPPC法辨識(shí)電池內(nèi)阻

為構(gòu)建電池隨放電過(guò)程的生熱率模型，需對(duì)單體電池歐姆內(nèi)阻及極化內(nèi)阻進(jìn)行辨識(shí)。本文采用的電池為L(zhǎng)148N50三元鋰方形電池，如圖1所示。電池具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 L148N50三元鋰方形電池Fig.1 L148N50 ternary lithium battery

表1 L148N50電池參數(shù)Table 1 L148N50 battery parameters

使用脈沖電流法(HPPC)測(cè)定不同溫度和不同SOC 工況下的電池內(nèi)阻[18]。設(shè)定恒溫箱溫度0～50 ℃，每隔10 ℃進(jìn)行一次HPPC 實(shí)驗(yàn)，將SOC以0.2作為間隔從1.0降至0.2。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到在不同SOC和溫度下電池內(nèi)阻。

1.3 平板熱管熱性能分析

平板熱管利用工質(zhì)相變吸熱原理，具有換熱系數(shù)大、溫度均勻性高及熱流方向可變等特點(diǎn)。

平板熱管的熱阻R可由傅里葉導(dǎo)熱定律確定，方程如下

平板熱管的整體熱阻Rov可以定義為在穩(wěn)定運(yùn)行下蒸發(fā)段平均溫度Te和冷凝段平均溫度Tcon的溫差與輸入熱量之比

2 三維仿真模型設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

利用三維建模軟件搭建散熱系統(tǒng)模型，將辨識(shí)得到的電池?zé)崮Ｐ鸵詢?nèi)熱源方式導(dǎo)入三維模型中，在不同環(huán)境溫度、不同放電倍率工況下，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technology roadmap

2.1 鋰離子電池?zé)嵛镄詤?shù)

根據(jù)理論計(jì)算得到鋰離子電池物性參數(shù)：平均密度ρ為2152.6 kg/m3；平均比熱容cp為75 J/(kg·K)；導(dǎo)熱率在高度及寬度方向上λx、λy為22.45 W/(m·K)，在厚度方向上λz為1.10 W/(m·K)。

2.2 基于大平板熱管的電池散熱系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)及仿真

2.2.1 散熱系統(tǒng)模型搭建

設(shè)計(jì)了基于大平板熱管的動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)，電池組置于大平板熱管上方，冷端設(shè)計(jì)了矩形風(fēng)道，采用風(fēng)冷散熱，電池單體之間加以導(dǎo)熱鋁片，系統(tǒng)如圖3所示。將電池單體從風(fēng)道入口開(kāi)始依次編號(hào)。大平板熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

將電池散熱系統(tǒng)幾何模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，對(duì)一號(hào)電池單體外壁面平均溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，做出4套不同數(shù)量的網(wǎng)格以驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.3 電池散熱系統(tǒng)仿真分析

假設(shè)電池模塊處于絕熱條件下，僅底部與大平板熱管發(fā)生導(dǎo)熱。仿真的其他條件設(shè)置見(jiàn)表3。

圖3 電池散熱系統(tǒng)模型圖Fig.3 Model diagram of battery cooling system

圖4 大平板熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.4 Exploded view of the internal structure of a large flat heat pipe

大平板熱管冷端通過(guò)風(fēng)冷進(jìn)行散熱，屬于空氣縱掠平板。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速選擇2 m/s 時(shí)，雷諾數(shù)Re為10046，因此選擇k-ε湍流模型。在Fluent中進(jìn)行瞬態(tài)仿真，計(jì)算結(jié)果收斂之后，可以得到電池模塊模型壁面溫度云圖，圖4為電池模組在進(jìn)口風(fēng)速為5 m/s，以1 C 放電終止時(shí)的溫度分布云圖。可以看出，電池最高溫度集中在電池上端，熱量自上而下傳遞到電池組底部的大平板熱管，熱管冷端通過(guò)風(fēng)冷散熱。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Table 2 Grid independence verification

表3 仿真參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter setting of simulation

電池組以1 C 放電截止時(shí)，單體電池的最高、最低溫度和溫差見(jiàn)表4。

表4 1 C放電終止時(shí)模組內(nèi)各單體電池的溫度情況Table 4 The temperature of each single cell in the module when the 1 C discharge is terminated

2.3 散熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及仿真模型驗(yàn)證

圖5 電池單體放電終止時(shí)溫度分布云圖Fig.5 Cloud diagram of temperature distribution at the end of battery cell discharge

為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)并加工了一種大平板熱管，外形尺寸為180 mm×150 mm×3 mm，外殼厚度1.5 mm。大平板熱管使用銅網(wǎng)式吸液芯，上蓋鋪設(shè)兩層0.4 mm厚銅網(wǎng)，下蓋鋪設(shè)兩層0.8 mm厚銅網(wǎng)。內(nèi)部有24 根圓柱形支撐柱，以維持大平板熱管在抽真空時(shí)不發(fā)生形變，同時(shí)提高工質(zhì)在吸液芯中的回流效率。大平板熱管以水為工質(zhì)，充液率為50%。

測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示，主要由熱管理系統(tǒng)、電池充放電儀、恒溫箱及溫度采集裝置構(gòu)成。T型熱電偶測(cè)點(diǎn)位置如圖7(a)所示，每塊電池單體有5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，4塊電池共20個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用安捷倫34972A采集系統(tǒng)采集溫度。為防止電池表面與外界環(huán)境換熱，采用隔熱棉材料[導(dǎo)熱系數(shù)低于0.03 W/(m·K)]對(duì)電池表面進(jìn)行了保溫處理，見(jiàn)圖7(b)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7(c)所示。測(cè)試條件如表5所示。

圖6 大平板熱管溫度分布云圖Fig.6 Cloud diagram of temperature distribution of large flat heat pipe

2.3.1 仿真模型的驗(yàn)證

（1）不同放電倍率下實(shí)驗(yàn)與仿真電池表面平均溫度對(duì)比。設(shè)置進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為5 m/s，環(huán)境溫度為30 ℃，電池分別以1、0.8、0.6、0.5 C放電，設(shè)置放電截止電壓為2.75 V，截止電流為5 A。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，20個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)平均溫度與仿真數(shù)據(jù)平均值隨放電時(shí)間的變化情況如圖8所示。在低倍率放電時(shí)，仿真得到電池表面平均溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得電池表面平均溫度相差較為明顯，相差最大值為1.1 ℃。這是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，電池表面不可避免與空氣存在微弱的熱交換，在低倍率放電時(shí)，電池產(chǎn)熱較小，同時(shí)由于熱交換使得電池溫度上升緩慢。

（2）不同環(huán)境溫度下實(shí)驗(yàn)與仿真電池表面平均溫度對(duì)比。將恒溫箱溫度分別調(diào)整至20、30、40 ℃，控制電池表面初始溫度及入口冷卻空氣溫度。散熱風(fēng)速為5 m/s，以1 C倍率對(duì)電池進(jìn)行放電操作。實(shí)驗(yàn)平均溫度與仿真數(shù)據(jù)平均值隨放電時(shí)間的變化如圖9所示?？梢钥闯?，當(dāng)冷卻風(fēng)溫為20 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得電池表面溫升約為18 ℃，隨著放電深度的不斷進(jìn)行，電池仿真與實(shí)驗(yàn)的表面平均溫度差距不斷增大，在達(dá)到截止電壓時(shí)，誤差為1.5 ℃。冷卻風(fēng)溫為40 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫升約為11 ℃，仿真與實(shí)驗(yàn)溫度變化趨勢(shì)基本一致，仿真電池表面平均溫度最大誤差約為0.5 ℃?？紤]到實(shí)驗(yàn)過(guò)程電池包與環(huán)境存在一定的漏熱，而隨著初始溫度上升電池溫升減小，電池與環(huán)境換熱較小。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Test system

表5 測(cè)試條件Table 5 Test conditions

圖8 不同放電倍率下仿真與實(shí)驗(yàn)電池表面平均溫度對(duì)比Fig.8 Comparison of average temperature of simulated and experimental battery surface under different discharge rates

圖9 環(huán)境溫度40 ℃時(shí)仿真與實(shí)驗(yàn)電池表面溫度對(duì)比Fig.9 Comparison of battery surface temperature between simulation and experiment at ambient temperature of 40 ℃

由圖8、圖9 可知，在放電過(guò)程中，仿真電池表面平均溫度值變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值基本一致，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得電池平均溫度與仿真值的差距最大值在1.5 ℃以內(nèi)。因此，本文建立的仿真模型較為準(zhǔn)確，可用作進(jìn)一步仿真分析。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 大平板熱管散熱與絕熱工況下電池表面平均溫度對(duì)比

圖10 給出了在不同放電倍率情況下，電池組采用熱管散熱及表面做絕熱處理的平均溫度對(duì)比。如圖10(a)所示，表面絕熱情況下，以1 C倍率放電到截至電壓時(shí)，電池組表面平均溫度為47 ℃，超過(guò)了電池最佳工作溫度，采用大平板熱管散熱的電池組在放電結(jié)束時(shí)，表面平均溫度為43.8 ℃，平均溫度降低3.2 ℃。以0.5 C 倍率放電到截止電壓時(shí)，采用大平板熱管散熱的電池組表面平均溫度相較于絕熱工況下的平均溫度降低了1.8 ℃。

電池組以0.5 C 倍率放電時(shí)，在放電中期，電池組溫度有所下降。這是因?yàn)殡姵貎?nèi)阻包括了極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻[19]，在電池SOC(電池荷電狀態(tài))較高和較低時(shí)，電池極化內(nèi)阻較大，因此電池產(chǎn)熱隨之增大。而放電中期，電池產(chǎn)熱量較小，散熱量大于產(chǎn)熱量，使得電池組表面溫度有所下降。

3.2 翅片數(shù)量對(duì)電池模組散熱效果的影響

為提高散熱系統(tǒng)對(duì)電池模組的散熱能力，在大平板熱管底部增加散熱翅片，翅片尺寸為180 mm×30 mm×1 mm，材料為金屬銅，如圖11 所示。圖12 是放電截止時(shí)大平板熱管冷端散熱翅片的溫度分布。

圖10 不同放電倍率下電池組表面溫度對(duì)比Fig.10 Comparison of battery pack surface temperature under different discharge rates

圖11 大平板熱冷端增設(shè)散熱翅片F(xiàn)ig.11 Additional cooling fins at the hot and cold ends of the large plate

在大平板熱管冷端增設(shè)不同數(shù)量的散熱翅片，設(shè)置入口風(fēng)速為3m/s，并在1 C倍率下對(duì)電池進(jìn)行仿真計(jì)算，監(jiān)測(cè)電池組表面平均溫度。圖13 為采用3組不同翅片數(shù)量的電池組表面平均溫度隨放電時(shí)間的變化情況。3 個(gè)電池組的最高溫度都集中在電池上端，而隨著翅片數(shù)量的增加，大平板熱管冷端等效換熱面積增大，在同一放電深度下，電池表面溫度逐漸降低。

圖12 散熱翅片溫度分布Fig.12 Temperature distribution of cooling fins

圖13 不同翅片數(shù)量下電池組表面平均溫度隨時(shí)間變化Fig.13 The average temperature of the battery pack surface varies with time under different numbers of fins

由圖13 可以看出，隨著翅片數(shù)量的增加，電池組表面平均溫度逐漸降低。電池以1 C放電至截止電壓時(shí)，翅片數(shù)量為50 個(gè)的電池組平均溫度為42.7 ℃。然而溫度降低的數(shù)值隨著翅片數(shù)量增加逐漸減少，這是由于翅片數(shù)量增加使得翅片間的縫隙減小，當(dāng)翅片數(shù)量增大到一定程度，空氣掠過(guò)相鄰翅片表面時(shí)受到邊界層影響明顯，熱量傳遞受阻，散熱效果逐漸減弱。

3.3 進(jìn)口風(fēng)速對(duì)電池包散熱效果的影響

以不同冷卻風(fēng)速對(duì)熱管冷端進(jìn)行散熱，監(jiān)測(cè)電池組放電達(dá)到截止電壓時(shí)壁面平均溫度變化過(guò)程。如圖14 所示，隨著放電的進(jìn)行，電池組平均溫度不斷上升。風(fēng)速為2 m/s 放電截止后的電池壁面平均溫為47.9 ℃，超過(guò)鋰離子電池最佳工作的溫度范圍。當(dāng)風(fēng)速為5 m/s，放電截止時(shí)電池組表面平均溫度為43.2 ℃。隨著散熱風(fēng)速增大，熱管散熱能力越強(qiáng)，電池組表面平均溫度越低。

圖14 不同冷卻風(fēng)速下電池組溫升Fig.14 Temperature rise of battery pack under different cooling wind speeds

表6列出了放電截止時(shí)不同風(fēng)速下電池的最高溫度、最大溫差等特征溫度值?？梢钥闯霎?dāng)風(fēng)速增大時(shí)，電池組溫度明顯降低，溫度場(chǎng)更加均勻，有利于電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 進(jìn)口風(fēng)溫對(duì)電池包散熱效果的影響

如圖15 所示，給出了在冷卻風(fēng)溫分別為20、25、30、35和40 ℃情況下，電池組表面溫升變化趨勢(shì)。由圖可知，隨著冷卻風(fēng)溫的降低，電池組表面的平均溫度逐漸降低。大平板熱管的工作性能很大程度上受到冷端散熱條件的影響，當(dāng)冷卻風(fēng)溫為20 ℃時(shí)，電池組平均溫度在放電截止時(shí)為38 ℃，滿足電池最佳工作溫度；而風(fēng)溫為40 ℃情況下，在放電截止時(shí)，電池組平均溫度達(dá)到55 ℃，超過(guò)電池最佳工作溫度。

表6 不同入口風(fēng)速下電池組的溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 6 Temperature evaluation index of battery pack under different inlet wind speed

圖15 不同冷卻風(fēng)溫下電池組表面平均溫度Fig.15 The average temperature of the battery pack surface under different cooling air temperatures

4 結(jié)論

本文以CFD 仿真的方法對(duì)一種基于大平板熱管的鋰離子電池散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱管理研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真模型進(jìn)行對(duì)照，驗(yàn)證了熱管理的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步研究了大平板熱管散熱端翅片數(shù)量、冷卻風(fēng)速、冷卻風(fēng)溫對(duì)散熱效果的影響，得出以下結(jié)論。

（1）與絕熱工況相比，基于大平板熱管散熱的電池組在以1 C倍率達(dá)到截止電壓時(shí)，電池表面平均溫度降低5.5 ℃；以0.5 C倍率達(dá)到截至電壓時(shí)，電池組表面平均溫度降低1.8 ℃。因此，大平板熱管的換熱效率受到換熱功率的影響，在一定范圍內(nèi)，換熱功率越大，大平板熱管的換熱效率越強(qiáng)。

（2）在風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)溫為30 ℃時(shí)，電池組以1 C放電結(jié)束后，翅片數(shù)量為50個(gè)的電池組平均溫度為42.7 ℃，最大溫差為2.5 ℃；適當(dāng)增加平板熱管散熱端翅片數(shù)量可以有效降低電池組的最高溫度，但翅片數(shù)量過(guò)多會(huì)影響冷卻風(fēng)流動(dòng)及傳熱，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增大成本。

（3）大平板熱管冷端的散熱條件對(duì)散熱性能影響顯著，提高進(jìn)風(fēng)風(fēng)速、適當(dāng)降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫均能提高電池組的散熱效果，改善電池組的溫度均勻性。當(dāng)風(fēng)溫為20 ℃、電池組以1 C倍率放電結(jié)束時(shí)平均溫度為38 ℃；當(dāng)風(fēng)溫為30 ℃、風(fēng)速為5 m/s 時(shí)，電池組平均溫度為43.2 ℃，最大溫差為2.2 ℃，滿足電池組最高溫度及溫度均勻性的運(yùn)行要求。