車用鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

劉巖，肖純*，沈國鑫，李錦，張少睿

車用鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

劉巖1,2，肖純1,2*，沈國鑫1，李錦1，張少睿1

（1.武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，武漢 430070；2.國家能源氫能及氨氫融合新能源技術(shù)重點實驗室（佛山仙湖實驗室），廣東 佛山 528200）

解決傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)中鋰離子電池組在充放電過程中溫度過高、溫差過大等問題。以液冷方式為主要手段，在傳統(tǒng)蛇形冷卻通道的基礎(chǔ)上設(shè)計1種單流入單流出的微通道結(jié)構(gòu)和2種雙流入單流出的微通道結(jié)構(gòu)，并采用新型高導(dǎo)熱材料石墨烯薄膜作為散熱輔助材料。基于有限元仿真軟件從電池組的最高溫度、溫差、溫升和流體壓力4個角度進(jìn)行比較分析。優(yōu)化后電池組的最高溫度由36.4 ℃降至36 ℃，溫差由8.7 ℃降至3.9 ℃，電池組的散熱能力及溫度一致性得到提高。雙流入單流出結(jié)構(gòu)優(yōu)于單流入單流出結(jié)構(gòu)，其中雙波紋蛇形為最佳的液冷微通道結(jié)構(gòu)，石墨烯薄膜的采用可進(jìn)一步提高電池組的溫度一致性。

鋰離子電池組；液冷式；雙波紋蛇形；石墨烯薄膜

鋰離子電池憑借其開路電壓高、能量密度大、自放電率低等優(yōu)勢，已成為電動汽車中最有前途的儲能器件[1]。鋰離子電池的壽命和性能受到工作溫度和溫差的影響較大，高溫會降低電池的能量轉(zhuǎn)換效率，并加速電池組的老化。若超過安全溫度上限（80 ℃）可能導(dǎo)致電池組發(fā)生故障，甚至損壞[2-3]，因此對電池組的散熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化具有重要意義。若可將電池組的工作溫度控制在20～40 ℃，溫差低于5 ℃，則此時電池組具有最佳性能[4-5]。

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，電池組的散熱可分為風(fēng)冷、液冷和相變材料冷卻等類型[6]。風(fēng)冷以空氣為換熱介質(zhì)，可分為被動風(fēng)冷和主動風(fēng)冷，通過熱對流帶走電池組的熱量，但此方式存在空氣熱容量低、散熱效果差等劣勢。相變材料冷卻是利用相變材料的相變潛熱吸收熱量的被動式冷卻方式，具有散熱速度快、溫控效果好等優(yōu)勢，但相變材料的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性較差。由此可見，風(fēng)冷和相變材料冷卻均不適合單獨應(yīng)用于對安全性有較高要求的汽車中[7-8]。液冷克服了風(fēng)冷和相變材料冷卻的劣勢，對于高生熱速率的電池組，它具有溫控效果好、換熱系數(shù)高等優(yōu)勢[9-10]。有學(xué)者對液冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計了U形、平行螺旋蛇形、仿生蛛網(wǎng)形等液冷通道，將電池組的工作溫度控制在合理范圍內(nèi)，但缺乏對溫差影響的關(guān)注[11-13]。

受到電池組的組合結(jié)構(gòu)、使用工況及環(huán)境等因素的影響，電池成組后，其內(nèi)部溫度分布不均勻、溫差過大等現(xiàn)象時有發(fā)生。若電池組溫度一致性較差，且不能得到及時有效緩解，則易造成單體電池之間不均勻的衰減，甚至造成電池組的損壞[14]。有研究表明，石墨烯薄膜是一種面內(nèi)導(dǎo)熱率高、散熱快速且均勻、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的二維碳納米材料。若將石墨烯薄膜應(yīng)用于電池組，則能夠迅速地將電池組表面的熱量進(jìn)行水平方向上的傳導(dǎo)，在提高散熱性能的同時，高效地解決了電池組內(nèi)局部過熱和溫差過大等問題[15-16]。

文中采用液冷方法，設(shè)計了3種冷卻通道結(jié)構(gòu)，并采用石墨烯薄膜作為散熱輔助材料，從電池組的最高溫度、溫差、溫升和流體壓力等4個角度進(jìn)行比較分析，旨在將電池組的溫度和溫差控制在合理范圍內(nèi)，保障電池組的性能。

1 液冷式鋰離子電池組建模

1.1 液冷通道設(shè)計

液冷式鋰離子電池組的散熱效果主要取決于冷卻翅片內(nèi)的冷卻通道。傳統(tǒng)蛇形冷卻通道是一種常見的液冷結(jié)構(gòu)，冷卻液從冷卻翅片入口流入，吸收電池組產(chǎn)生的熱量，然后從出口流出。為了提高電池組的散熱效果及低溫適用性，選用具有低冰點和高比熱容的乙二醇水溶液（體積分?jǐn)?shù)為50%）作為冷卻液，并在傳統(tǒng)蛇形冷卻通道的基礎(chǔ)上，設(shè)計了3種不同的液冷結(jié)構(gòu)，包括單流入單流出（波紋蛇形）、雙流入單流出（雙弓蛇形、雙波紋蛇形），如圖1所示。

1.2 鋰離子電池組物理模型

為了簡化運(yùn)算，這里僅考慮了由6塊192 g、4.2 V的棱柱電池和3個冷卻翅片組成的電池組。其中，棱柱電池和冷卻翅片的尺寸分別為200 mm×4 mm× 120 mm和200 mm×2 mm×120 mm，液冷微型通道出入口為1 mm×1 mm的正方形。構(gòu)建的三維物理模型中，單流入單流出和雙流入單流出的電池組尺寸分別為226 mm×30 mm×120 mm和226 mm×30 mm×140 mm，如圖2所示。

圖1 鋰離子電池組液冷微通道設(shè)計

圖2 鋰離子電池組物理模型

1.3 鋰離子電池組數(shù)學(xué)模型

1.3.1 電池產(chǎn)熱機(jī)理

鋰離子電池產(chǎn)生的熱量主要包括反應(yīng)熱、焦耳熱和極化熱[17]。在充放電過程中產(chǎn)生的總熱量可由式（1）得出。

式中：r、j、p分別為反應(yīng)熱、焦耳熱、極化熱，J；為電池充放電電流，充電時為正，放電時為負(fù)，A；為電池溫度，K；為電池電動勢，V；j、p分別為歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻，Ω。

假設(shè)電池內(nèi)部熱源均勻且穩(wěn)定，根據(jù)Bernardi等建立的電池生熱速率模型[18-19]，生熱速率可由式（2）得出。

1.3.2 棱柱電池物性參數(shù)

棱柱電池電芯的密度采用平均密度，可由式（3）計算得出。

式中：c、p、n、s分別為電池、電池正極、電池負(fù)極、電池外包裝的質(zhì)量，kg；c、p、n、s分別為電池、電池正極、電池負(fù)極、電池外殼的體積，m3。經(jīng)計算得到棱柱電池電芯的平均密度為2 055.2 kg/m3。

棱柱電池的比熱容可由式（4）計算得出。

式中：ρ為各層材料的密度，kg/m3；c為各層材料的平均比熱容，J/(kg·K)；V為各層材料的體積，m3。經(jīng)計算得到棱柱電池的比熱容為1 399.1 J/(kg·K)。

棱柱電池的導(dǎo)熱系數(shù)具有各向異性特征，即不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)不同[20]。沿寬度和高度方向，各層電池之間是并聯(lián)傳熱。沿深度方向，各層電池之間是串聯(lián)傳熱。不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)可由式（5）～（6）計算得出。

式中：λ、λ、λ分別表示電池沿寬度、深度、高度方向的等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；l為單電池不同層的厚度，m；λ為各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。經(jīng)計算得到λ、λ為29.55 W/(m·K)，λ為0.9 W/(m·K)。

1.3.3 熱邊界條件建立

式中：為對流換熱系數(shù)，設(shè)定電池組與外界空氣的對流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)；a為環(huán)境溫度，設(shè)定a為298.15 K。

棱柱電池在工作時產(chǎn)生的熱量由電池內(nèi)部傳導(dǎo)至表面，且電池、冷卻液與冷卻翅片之間分別存在導(dǎo)熱和對流換熱[21]。冷卻液的質(zhì)量、動量和能量守恒方程見式（8）～（10）。

式中：l為冷卻液的密度，kg/m3；l為冷卻液的比熱容，J/(kg·K)；l為冷卻液的溫度，K；為冷卻液的速度，m/s；l為冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

設(shè)定電池組和冷卻液的初始溫度為298.15 K，微型通道出口為自由出流邊界條件，并設(shè)定4種液冷通道方案，冷卻翅片入口總流量均為0.2 cm3/s。雷諾數(shù)的計算見式（11）[22]。

1.4 網(wǎng)格化模型

基于有限元仿真軟件，對所建立的鋰離子電池組物理模型添加固體和流體傳熱、層流物理場。在仿真前進(jìn)行網(wǎng)格化處理，采用自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行分割構(gòu)建，在非線性求解器中進(jìn)行3次迭代后，4種液冷通道方案的誤差均低于10?3，即網(wǎng)格化構(gòu)建合理，如圖3所示。

2 液冷式鋰離子電池組仿真及優(yōu)化

2.1 鋰離子電池組仿真分析

在對鋰離子電池組進(jìn)行仿真時做了如下4個假設(shè)：棱柱電池的熱容量和工作性能不變；忽略棱柱電池內(nèi)部的對流和熱輻射；不考慮電池組的熱變形；冷卻液為不可壓縮流體。

電池組在298.15 K的環(huán)境溫度下以5C的倍率持續(xù)放電1 min后，在傳統(tǒng)蛇形、波紋蛇形、雙弓蛇形、雙波紋蛇形4種方案下，電池組的最高溫度分別為36.4、36.2、36.1、36.1 ℃，冷卻翅片表面的最大溫升分別為11.2、11.0、10.9、10.9 K。在不同方案下，電池組的最高溫度和冷卻翅片表面最大溫升均集中在冷卻液出口附近，溫度分布如圖4所示，溫升分布如圖5所示。結(jié)果表明，雙流入單流出結(jié)構(gòu)的溫控效果優(yōu)于單流入單流出結(jié)構(gòu)，且具有較高的溫度一致性。

圖3 網(wǎng)格獨立性檢驗結(jié)果

圖4 溫度分布

在4種方案下，微通道內(nèi)冷卻液的最大壓力均集中在冷卻液入口處，分別為2 255、1 679、737、494.8 Pa。隨著冷卻液進(jìn)入冷卻通道，壓力逐漸降低。在保證冷卻翅片入口總流量不變的情況下，由單流入單流出結(jié)構(gòu)優(yōu)化為雙流入單流出結(jié)構(gòu)后，冷卻翅片單側(cè)入口流量將由0.2 cm3/s降至0.1 cm3/s，可顯著降低微通道內(nèi)的壓力，減小冷卻液泄漏的風(fēng)險，液冷結(jié)構(gòu)的可靠性得到提高。微通道內(nèi)冷卻液的壓力分布如圖6所示。

圖5 冷卻翅片表面溫升分布

圖6 冷卻液壓力分布

4種冷卻通道方案的仿真結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，雙流入單流出系統(tǒng)比單流入單流出系統(tǒng)更有利于降低電池組的最高溫度、溫差、溫升、流體壓力，分別平均降低了0.2 ℃、2.9 ℃、0.2 K、1 351.1 Pa，即雙流入單流出系統(tǒng)的熱管理和冷卻液壓控性能更好。另外，雙波紋蛇形方案在冷卻效果、溫差控制、翅片溫升控制及流體壓力控制等方面優(yōu)勢明顯，采用該方案電池組的最高溫度、溫差、溫升、流體壓力分別為36.1 ℃、4.6 ℃、10.9 K、494.8 Pa，相較于傳統(tǒng)蛇形方案，分別降低了0.3 ℃、4.1 ℃、0.3 K、1 760.2 Pa。雙弓蛇形方案次之，波紋蛇形方案較差，傳統(tǒng)蛇形方案最差。雙波紋蛇形液冷通道的分布更加分散，冷卻液在通過冷卻翅片的過程中能夠吸收更多區(qū)域的熱量，故能夠有效避免電池組熱量的集中，降低電池組的溫差。

2.2 高導(dǎo)熱材料石墨烯薄膜的應(yīng)用

為了進(jìn)一步降低電池組的溫差，提高電池組的溫度一致性，這里選用密度（2 000 kg/m3）、恒壓熱容（850 J/(kg·K)）相同，厚度（50～300 μm）不同的石墨烯薄膜，其橫向、縱向?qū)嵯禂?shù)如表2所示。將石墨烯薄膜添加至棱柱電池兩面，如圖7所示。

由表2可知，石墨烯薄膜厚度將直接影響其橫向?qū)嵯禂?shù)。這里通過仿真運(yùn)算，記錄了應(yīng)用不同類型的石墨烯薄膜后電池組的溫差變化情況，石墨烯薄膜厚度與電池組溫差的關(guān)系如圖8所示。

表1 4種冷卻通道方案的仿真結(jié)果

Tab.1 Simulation results of four cooling channel schemes

表2 石墨烯薄膜的相關(guān)參數(shù)

Tab.2 Related parameters of graphene film

圖7 石墨烯薄膜放置方式及散熱原理

圖8 石墨烯薄膜厚度與電池組溫差的關(guān)系曲線

結(jié)果表明，石墨烯薄膜厚度越薄，電池組的溫差越小，即溫度一致性越好。其中，50 μm的石墨烯薄膜能夠最有效地降低電池組的溫差。4種冷卻通道方案在加置了50 μm的石墨烯薄膜后，電池組溫差分別降低了0.8、0.8、0.7、0.7 ℃。

2.3 優(yōu)化前后效果對比

以50 μm石墨烯薄膜為例，加置石墨烯薄膜前后電池組最高溫度與放電倍率之間的關(guān)系如表3所示，電池組溫差與放電倍率之間的關(guān)系如圖9所示。

結(jié)果表明，在不同放電倍率下，石墨烯薄膜的加置對降低電池組最高溫度的作用較小，但對降低電池組的溫差較為明顯。石墨烯薄膜具有高面內(nèi)導(dǎo)熱率的特點，可將熱量向周圍傳遞，使得電池組受熱更加均勻，降低了電池組的最高溫度和溫差，提高了電池組的溫度一致性和抗熱沖擊能力。其中，電池組的放電倍率越高，石墨烯薄膜的作用越明顯。以采用雙波紋蛇形方案的電池組為例，當(dāng)電池放電倍率為5C時，加置50 μm的石墨烯薄膜后，電池組的最高溫度和溫差分別降低了0.1 ℃和1.4 ℃。

表3 石墨烯薄膜加置前后電池組的最高溫度

Tab.3 Maximum temperature of the battery pack before and after graphene film placement

圖9 電池組溫差與放電倍率的關(guān)系曲線

3 結(jié)語

針對車用鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和仿真研究，主要結(jié)論如下。

1）在傳統(tǒng)蛇形冷卻通道的基礎(chǔ)上，設(shè)計了3種液冷結(jié)構(gòu)：單流入單流出（波紋蛇形）、雙流入單流出（雙弓蛇形、雙波紋蛇形），并從電池組的最高溫度、溫差、溫升和流體壓力4個角度進(jìn)行了比較分析，確定雙波紋蛇形為最佳冷卻通道。

2）在棱柱電池兩面添加高導(dǎo)熱材料石墨烯薄膜，并探究了薄膜厚度對電池組最高溫度和溫差的影響。結(jié)果表明，石墨烯薄膜可將熱量向周圍傳遞，使得電池組受熱更加均勻，降低了電池組的最高溫度和溫差，提高了電池組的溫度一致性和抗熱沖擊能力。

3）與傳統(tǒng)蛇形方案相比，采用雙波紋蛇形方案且加置50 μm石墨烯薄膜后的電池組，其最高溫度由36.4 ℃降至36 ℃，溫差由8.7 ℃降至3.9 ℃，溫升由11.2 ℃降至10.9 ℃，流體最大壓力由2 255 Pa降至494.8 Pa。電池組散熱能力及溫度一致性得到提升。文中研究為解決實際鋰離子電池整體溫度過高、溫差過大等問題提供了新的方法和思路。

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Design and Optimization of Liquid Cooling System for Lithium-ion Battery Packs in Vehicles

LIU Yan1,2,XIAO Chun1,2*,SHEN Guoxin1,LI Jin1,ZHANG Shaorui1

(1. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2.National Energy Key Laboratory for New Hydrogen-ammonia Energy Technologies (Foshan Xianhu Laboratory), Guangdong Foshan 528200, China)

The work aims to solve the problems of high temperature and large temperature difference of lithium-ion battery pack in the traditional thermal management system during the charging and discharging process. The liquid cooling method was taken as the main means to design a single-inflow and single-outflow microchannel structure and two double-inflow and single-outflow microchannel structures on the basis of the traditional serpentine cooling channel, and a new type of high-thermal-conducting material, graphene film, was adopted as the auxiliary heat dissipation material. Based on the finite element simulation software, a comparative analysis was carried out from four perspectives: maximum temperature, temperature difference, temperature rise and fluid pressure of the battery pack. The maximum temperature of the optimized battery pack was reduced from 36.4 ℃ to 36 ℃, and the temperature difference was reduced from 8.7 ℃ to 3.9 ℃, which improved the heat dissipation capability and temperature consistency of the battery pack. The double-inflow and single-outflow structure is better than the single inflow-single outflow structure, in which the double corrugated serpentine is the optimal liquid-cooling microchannel structure, and the adoption of graphene film can further improve the temperature consistency of the battery pack.

lithium-ion battery pack; liquid cooling; double corrugated serpentine; graphene film

TM 911

A

1001-3563(2024)01-0307-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.036

2023-06-16

先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室佛山分中心（佛山仙湖實驗室）開放基金（XHD2020-003）