液冷管包裹性對動(dòng)力電池冷卻效果的影響

賈明正 馬梓良 黑中磊

摘 要：為了更好地研究液冷管在動(dòng)力電池中的應(yīng)用，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真分析軟件，研究了液冷管包裹程度和包裹方式對動(dòng)力電池冷卻效果的影響。仿真結(jié)果表明：在達(dá)到冷卻效果的前提下，可以適當(dāng)減少液冷管對電池模組的包裹程度，即通過降低液冷管高度達(dá)到減少電池模組質(zhì)量和節(jié)省材料的目的;在相同包裹面積的情況下，采取不同包裹方式，對電池模組會(huì)產(chǎn)生不同的冷卻效果，其中分段包裹式比直接包裹式好。

關(guān)鍵詞：液冷管;包裹程度;包裹方式;仿真分析

中圖分類號：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0117-04

Abstract： In order to better study the application of liquid cooling tube in power battery， this paper studies the influence of liquid cooling tube wrapping degree and wrapping way on the cooling effect of power battery through CFD simulation analysis software. Through the simulation analysis， the results show that： on the premise of achieving the cooling effect， the wrapping degree of the liquid cooling tube to the battery module can be appropriately reduced， that is， by reducing the height of the liquid cooling tube， the weight of the battery module can be reduced and the material can be saved; In the case of the same package area， different package methods will produce different cooling effects on the battery module， and the segmented type is better than the direct package type.

Keywords： liquid cooling tube;degree of wrapping;package method;simulation analysis

電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池在正常工作時(shí)會(huì)因?yàn)殇囯x子在電池內(nèi)部的脫嵌和嵌入、電流在電池及電池組內(nèi)的流動(dòng)、電池正負(fù)極電位的偏差以及電池內(nèi)各種微小的副反應(yīng)等產(chǎn)生大量的熱量。由于電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)比較緊湊，導(dǎo)致傳熱不暢，使得熱量堆積在電池包內(nèi)部，如熱量不盡快散出，會(huì)使電池處在高溫環(huán)境中。當(dāng)時(shí)間過長或溫度超過許用上限時(shí)，它會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的壽命，甚至可能引起電池短路爆炸[1-3]。因此，電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的好壞直接關(guān)系到電池組的安全性能和充放電性能。

目前，對電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究主要包括仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，其中仿真分析主要以電池生熱模型為研究對象，通過建立動(dòng)力電池生熱模型，分析探究電池模組發(fā)熱量。Jarrett等以冷卻液的壓降、平均溫度以及溫度均勻性作為目標(biāo)參數(shù)，通過改變蛇形冷板流道的位置和寬度優(yōu)化蛇形冷板。結(jié)果證明，單一流道設(shè)計(jì)可滿足壓降和平均溫度的要求，但均溫性并不理想[4]。顏藝提出了一種冷卻液和電池直接接觸的液冷系統(tǒng)，并對不同的流道布置方式進(jìn)行仿真分析[5]。YANG等研究了液態(tài)金屬用于液冷系統(tǒng)的可行性，通過仿真及實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，使用液態(tài)金屬時(shí)整體溫度更低、均溫性更好、循環(huán)泵消耗功率更低，適合在大功率放電和惡劣工況下使用[6]。勞玉玲研究各參數(shù)對雙進(jìn)雙出微通道液冷板性能的影響，發(fā)現(xiàn)增大冷卻液入口雷諾數(shù)、流道寬度對電池組溫度影響較小，而改變進(jìn)出口位置可以改善電池模組的溫度均勻性[7]。

為了更好地研究液冷管在動(dòng)力電池中的應(yīng)用，本文研究液冷系統(tǒng)中的液冷管，建立電池模組相關(guān)模型，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真分析軟件進(jìn)行仿真分析，研究液冷管包裹程度和包裹方式對電池冷卻性能的影響。

1 液冷管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 液冷管結(jié)構(gòu)建立

在動(dòng)力電池的冷卻系統(tǒng)中，液冷管是一種高效率、低成本且無污染的冷卻部件。它通過熱傳導(dǎo)把電池充放電產(chǎn)生的熱量傳遞到冷板內(nèi)壁面上，然后由冷卻介質(zhì)通過對流換熱把熱量帶走，再流經(jīng)整個(gè)冷卻系統(tǒng)將熱量釋放后回到液冷管，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的工作[8-9]。

由于研究重點(diǎn)是動(dòng)力電池液冷管路對冷卻性能的影響，因此對單體電池模型進(jìn)行簡化模擬計(jì)算，取消單體電池的正負(fù)極，直接用長90 mm、寬18 mm、高65 mm的方形單體電池代替。電池模組由3塊方形鋰離子電池組成。液冷管采用較為常見的U形液冷管，材料為鋁。電池模組液冷結(jié)構(gòu)如圖1所示，可見液冷管包裹住單體電池。

1.2 包裹程度對比模型

在原模型基礎(chǔ)上，為了節(jié)省材料，建立多組不同高度的液冷管模型，分別設(shè)置液冷管高度為20 mm、40 mm、50 mm、55 mm、60 mm這5組液冷模型，與65 mm（全包裹式）液冷模型進(jìn)行仿真對比分析。6組液冷管結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用居中方式進(jìn)行包裹。

1.3 包裹方式對比結(jié)構(gòu)模型

對于包裹方式研究，選用總高度為60 mm和50 mm的液冷管，分別將液冷管平均分為3段，間斷性地包裹在電池模組上，以研究包裹方式對動(dòng)力電池溫度的影響。它的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 分析模型及條件建立

2.1 分析模型

電池模組網(wǎng)格劃分單元尺寸太大會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格平均質(zhì)量過差，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;單元尺寸太小導(dǎo)致軟件運(yùn)行時(shí)間過長，影響計(jì)算效率。經(jīng)過多次嘗試，將單元尺寸設(shè)置為1 mm最合適，網(wǎng)格質(zhì)量較好。液冷模型如圖4所示。

2.2 邊界條件建立

液冷管中流體為常用的50%乙二醇水溶液。

為了更好地顯示效果，動(dòng)力電池采用10[C]倍率放電，分別設(shè)置3塊方形單體電池，內(nèi)熱源為49 676.89 W/m3，外界（空氣）與壁面對流換熱系數(shù)設(shè)定為10 W/（m2·K）。冷凝管道材料設(shè)置為鋁，冷卻液入口流速設(shè)置為0.4 m/s，入口溫度設(shè)置為20 ℃，環(huán)境溫度為25 ℃。

電池導(dǎo)熱系數(shù)[10]如表1所示。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 無液冷管和全包式液冷管電池模組對比分析

在動(dòng)力電池10[C]倍率完全放電情況下，無液冷管和全包裹式液冷管電池模組的溫度云圖分別如圖5和圖6所示。

無液冷管和全包裹式液冷管的電池溫度對比分析結(jié)果，如表2所示。從兩組模型溫度數(shù)據(jù)對比結(jié)果可以看出，在沒有加裝液冷管的情況下，電池組的最低溫度為30.12 ℃，最高溫度為31.81 ℃，溫差為1.69 ℃。加裝全包裹式冷凝管后，電池組的最低溫度為20.00 ℃，最高溫度為23.20 ℃，溫差為3.20 ℃。兩種方式的最高溫度相差8.61 ℃，可見液冷管對電池模組冷卻效果比較明顯，但增大了電池溫差。

3.2 液冷管包裹程度對電池模組溫度的影響

統(tǒng)計(jì)安裝高度分別為65 mm、60 mm、55 mm、50 mm、40 mm、20 mm、0 mm這7組不同液冷管時(shí)電池模組的最高溫度和最低溫度。通過數(shù)據(jù)分析，繪制折線圖如圖6所示。

通過對圖6分析可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)液冷管高度為60 mm時(shí)，電池模組最高溫度為23.92 ℃，與65 mm液冷管相比，電池模組最高溫度升高了0.71 ℃，溫差變化不大;當(dāng)液冷管高度為55 mm時(shí)，電池模組最高溫度為25.52 ℃，與65 mm液冷管相比，電池模組最高溫度升高了2.32 ℃;當(dāng)液冷管高度為50 mm時(shí)，電池模組最高溫度為27.16 ℃，與65 mm液冷管相比，電池模組最高溫度升高了3.95 ℃;當(dāng)液冷管高度為40 mm時(shí)，電池模組最高溫度為29.42 ℃，與65 mm液冷管相比，電池模組最高溫度升高了6.21 ℃;當(dāng)液冷管高度為20 mm時(shí)，電池模組最高溫度為31.11 ℃，與65 mm液冷管相比，電池模組最高溫度升高了7.90 ℃，電池模組最高溫度逐漸接近沒有液冷管包裹的電池模組最高溫度。

通過觀察折線圖還可以看出，隨著電池模組包裹程度的不斷增加，不同高度的液冷管對電池模組冷卻效果的影響越來越不明顯。60 mm液冷效果和65 mm（全包裹式）液冷效果相差甚微，不到1 ℃。因此，在達(dá)到冷卻效果的前提下，可以適當(dāng)減少電池模組的包裹程度，即通過降低液冷管高度以達(dá)到降低電池模組質(zhì)量、提高電池能量密度以及節(jié)省材料的目的。

3.3 液冷管包裹方式對電池模組溫度的影響

為了使電池模組在達(dá)到冷卻效果后的溫度分布更加均勻，在液冷管包裹方式方面繼續(xù)進(jìn)行探究。高度為60 mm和50 mm的液冷管在不同包裹方式（直接包裹和分段式包裹）下的電池模組溫度云圖，分別如圖7和圖8所示。

液冷管直接包裹和分段式包裹的電池溫度對比分析結(jié)果，如表3所示。通過對比分析可知：在相同包裹面積下，分段式包裹要比直接包裹方式好，60 mm分段式包裹比直接包裹的電池最高溫度低0.41 ℃，電池模組高低溫溫差小0.38 ℃;50 mm分段式包裹比直接包裹的電池最高溫度低2.24 ℃，電池模組高低溫溫差小2.17 ℃。

因此，在相同包裹面積的情況下，采取不同包裹方式對電池模組會(huì)產(chǎn)生不同的冷卻效果，其中分段式包裹要比直接式包裹效果好。

4 結(jié)論

通過CFD仿真分析，得到以下結(jié)論：

①在達(dá)到冷卻效果的前提下，可以適當(dāng)減少液冷管對電池模組的包裹程度，即降低液冷管高度，達(dá)到減少電池模組質(zhì)量和節(jié)省材料的目的。

②在相同包裹面積的情況下，采取不同包裹方式對電池模組會(huì)產(chǎn)生不同的冷卻效果，其中分段式包裹要比直接包裹式要好。

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