《武汉工程大学学报》  2022年01期 97-101   出版日期：2022-02-28   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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冷却流道结构对锂电池组液冷性能的影响


近几年，随着石油、煤炭等主要能源的枯竭以及人类生活环境日趋恶劣，新能源汽车将成为人们首选出行的工具。锂电池是新能源电池动力系统重要零部件，由于其容量大、比能高、体积重量轻、对环境无污染等优点被广泛应用于新能源汽车动力系统［1-2］。随着对续航需求的增大，动力系统对电池散热能力的要求也在增强，大倍率放电的情况下，电池温度会骤增，电池组的降温需要依赖更多更大的风量，因此会发出巨大噪音［3］。当流体在冷却流道流动时，流道壁面周围的流体，越接近流道壁面，流体的流速越低，与流道壁面相接触的流体，其基本是悬停状态，此时流体与流道壁面之间相当于只有热传导存在［4-5］。以水为例，常温下水的导热系数是空气的几十倍，而且水的比热容是空气的4倍，所以通常认为液体流动换热比空气换热有更好的效果，更能满足动力电池的温控需求［6］。直接研究流体流速对电池组液冷性能影响的文献较多，但研究流道结构及截面形状对锂电池组液冷性能影响的文献很少。安治国等［7］利用建模软件建立了电池组模型，在Fluent软件里对不同流道数量和不同流道截面的电池组数值模拟，结果表明：增加流道数量和选择合适的流道截面都可降低电池组最高温度；许超等［8］模拟了在空气冷却情况下，电池结构最高温度达到57 ℃，液体冷却效果远高于空气冷却。Jarrett等［9］以双极板内流道位置、流道宽度为变量，优选几种不同的内部结构，利用软件Fluent对冷板的压降与冷却对象的平温差进行了模拟分析；邱翔等［10］为了提高电池冷却效率，在流道内增加肋条结构，仿真结果表明，通过增加肋条结构可有效地提升电池温度的均匀性；邓元望等［11］建立电池单体的物理和产热模型，分析了在不同进口流量时电池组内的温度情况，结果表明：在相同放电倍率下，增加进口的流量，可以有效降低电池组内外温度差。以前的研究思路大多是以流体的流速以及入口温度为变量，模拟对锂电池组温度场的影响。为了更有效地降低锂电池组的温度以及温差，本文以长方体锂电池组为研究对象，采用液冷间接冷却的方式，利用Fluent仿真软件对其进行散热仿真分析，通过改变冷却流道的结构以及截面形状来研究对锂电池组温度场的影响，为锂电池组流道结构设计提供了依据。1　锂电池组模型的建立 1.1　锂电池的生热与传热模型针对电池单体的生热速率，目前广泛使用Bernardi方程计算［12］。Bernardi电池生热模型[q=IVEo-E+TdEodT=IVIR+TdEodT] （1）式中：V为电池体积；I为工作电流；[Eo]为开路电压；[E]为端电压；[T]为起始温度，取298 K；[R]为欧姆电阻；[dEo/dT]为一常数，由于数值较低可忽略。仿真实验选用电池模型为锰酸锂电池，其导热微分方程为［13］： （2）式中：[ρ]为电池密度；c为电池比热容；t为电池工作时间；[T]为电池温度；[q]为电池生热速率。在电池组结构中，每层材料的物性参数不相同，[X]、[Y]、[Z]方向导热系数为［7］：[λx=Lxi=1NLxiλi] （3）[λy=λz=i=1NλiLxiLx] （4）1.2　材料热物性参数仿真是电池在1 C、3 C放电倍率的情况下，通过电池生热模型公式计算得出，电池最终产热值约为16 000和62 000 W/m3，如表1所示。通过式（3）和式（4）得出单体电池内不同方向的导热系数［14］，如表2所示。表 1　生热速率Tab. 1　Heat production rate [放电倍率 / C 生热速率 / (W[·][m-3]) 1 16 000 3 62 000 ]表 2　材料热物性参数Tab. 2　Thermophysical properties of materials[材料 密度 / （kg·m-3） 比热容 / (J·[kg-1]·[k-1]) 导热系数 / [W·（m·K）-1] 电池 2 400 14 00 1/29/29 铝 2 719 871 202.4 水 998.2 4182 0.6 ]1.3　锂电池组流道的几何模型锂电池几何模型选自某新能源公司研发锂电池，为简化仿真实验，把锂电池单体简化为130 mm×80 mm×18 mm的长方体均热体。如图1为锂电池组模型，简化的锂电池组包含5块锂电池单体，6块冷板几何尺寸都为130 mm×80 mm×9 mm，每块电池冷板内都含有流道，流道结构如图2所示，每个流道入口的截面积为36 cm2。1.4　模型网格划分与边界条件设定对图1（a）所示的串行冷却流道电池组进行网格划分。其中冷板和电池单体网格尺寸为1 mm，流道区域进行细化处理，网格尺寸为0.5 mm，串型流道结构电池组模型的网格单元数为5 782 700， 整体网格经过网格无关性验证，如图1（b）所示。仿真实验采用非稳态进行模拟求解，采用k-ε湍流模型进行计算，所有仿真环境温度设定为298 K，进出口温度也为298 K；冷却液为水，入口为速度入口，水的流速为0.03 m/s；出口为压力出口，压力值为0。整体以SIMPLE二阶迎风离散方法进行计算；电池单体与接触空气之间的对流换热系数值为5 W/（m2·K）［15］。[ b ][ a ][流道入口][电池冷板][电池单体][流道出口]图 1　锂电池组模型：（a）几何模型，（b）网格划分模型Fig. 1　Model of lithium battery pack ： （a） geometric model， （b） meshing model[ a ][ b ][ c ]图 2　不同流道结构：（a）串型流道，（b）双串型流道，（c）U型流道Fig. 2　Different flow channel structures ： （a） string diffusion flow channel， （b） double string diffusion flow channel， （c）U flow channel 2　仿真与分析锂电池组液冷仿真将流道结构、流道截面长宽比设定为变量，对不同流道结构的锂电池组进行仿真，通过对比最高温度以及单体电池温度差进行分析，得出在不同工况下，锂电池组温度场的影响规律。2.1　不同流道结构对电池温度场的影响铝制冷板内具有不同的液冷流道，电池组在1 C、3 C放电倍率下不同液冷流道结构时的最高温度如图3所示。结果表明，流道结构为串型液冷流道时，1 C、3 C放电倍率下最高温度分别为299.68 K和301.61 K；流道结构为双串型液冷流道时，1 、3 C放电倍率下最高温度分别为298.39 K和299.51 K；流道结构为U型液冷流道时，1 C、3 C放电倍率下最高温度分别为298.16 K和298.82 K。温差也是衡量电池组散热能力好坏指标之一，若温差太大，则会影响放电电压，放电电压忽高忽低会对电池的使用年限产生影响。电池组在1 C、3 C放电倍率下不同液冷流道结构时的温差如图4（a）所示。结果表明，在1 C放电倍率下，串型液冷流道、双串型液冷流道和U型液冷流道时，电池组之间的温度差分别为1.68、0.39和0.16 K；在3 C放电倍率下，串型液冷流道、双串型液冷流道和U型液冷流道时，电池组之间的温度差分别为3.61、1.51和0.82 K。基于以上数据，说明U型流道对电池组的散热能力较另外两种强一些，可以更好降低电池组的最高温度。3.2　不同长宽比液冷流道对电池温度场的影响对不同长宽比流道结构的电池组进行冷却仿真，对比其对电池组温度场的影响，得出电池组在1 C、3 C放电倍率下的温度分布云图，如图5所示，最高温度如表3所示。表3显示，流道截面长宽比为9∶4时，电池组在1 C、3 C放电倍率下最高温度分别为299.97和302.91 K；流道截面长宽比为4∶1时，电池组在1 C、3 C放电倍率下最高温度分别为298.95和301.71 K；流道截面长宽比为1∶1时，电池组在1 C、3 C放电倍率下最高温度分别为298.16 和298.82 K，最高温度分别比长宽比为9∶4时降低了1.81和4.09 K，分别比长宽比为4∶1时降低了0.79和2.89 K。电池组在1 C、3 C放电倍率下不同长宽比时的温差如图4（b）所示。结果表明，在1 C放电倍率下，流道截面长宽比为9∶4、4∶1和1∶1时，电池组之间的温度差分别为1.97、0.95和0.16 K；在3 C放电倍率下，长宽比为9∶4、4∶1和1∶1时，电池组之间的温度差分别为4.91、3.71和0.82 K。基于以上数据，说明在截面积一定的情况下，冷却流道截面长宽相等时，锂电池组的散热能力最好，长宽比为1∶1时可降低锂电池组最高温度，同时可降低电池组内的温差。表 3　放电倍率1 C和3 C时不同长宽比流道下的电池组最高温度Tab. 3　Maximum temperatures of battery pack with different aspect ratios at discharge rates of 1C and 3C[参数 放电倍率 1 C 放电倍率 3 C 1∶1 4∶1 9∶1 1∶1 4∶1 9∶1 最高温度 / K 298.16 298.95 299.97 298.82 301.71 302.91 ]3　结　论在1 C、3 C放电倍率条件下，对串型、双串型、U型流道结构电池组不同以及流道长宽比不同的锂电池组进行流固耦合热仿真，得出以下结论：（1）电池组在工作过程中，电池组的生热量和放电倍率成正比，电池放电倍率越大，其产生的热量也越多。串型、双串型和U型流道结构，在3 C放电倍率下的电池组最高温度都比1 C放电倍率时高。（2）U型流道比串型流道和双串型流道的最高温度低，冷却效果较好。在1 C放电倍率下，U型流道比串型液冷流道和双串型液冷流道电池组的最高温度分别降低了1.52 K和0.23 K；在3 C放电倍率下，U型流道比串型液冷流道和双串型液冷流道电池组的最高温度分别降低了2.79 K和0.69 K。（3）U型流道比串型流道和双串型流道的温差低，均温性比较好。在1 C放电倍率下，较之串型流道和双串型流道电池组的温差分别降低了1.81 K和0.79 K；在3 C放电倍率下，较之串型液冷流道和双串型液冷流道电池组的温差分别降低了4.09 K和2.89 K。（4）流道截面长宽比会影响电池组冷却效果。流道截面长宽比为1∶1时，锂电池组的最高温度较低，锂电池组冷却效果较好。