基于液冷的锂离子动力电池散热结构优化设计

刘霏霏　袁康　李骏　洪显华　龚阳

摘   要：针对锂离子电池单体成组后温度场的非均匀性导致的热不一致性问题，以及高温下电池单体间的热交互引发的热安全性问题，采用仿真与试验相结合的方式，基于锂离子电池生-传热机理，设计了电池单体单独成组、电池单体之间夹隔泡沫棉、电池模组底部布置液冷板3种递进式散热方案，并对液冷板进行了优化设计. 采用有限元软件STAR-CCM+，仿真分析了3种方案下电池模组在不同放电倍率时的温度分布. 结果表明：增加泡沫棉可减少电池间的热交互，进而提高电池单体间的热均衡性. 在结合泡沫棉、导热板以及优化后（采用液冷管道串-并联组合方式）的液冷系统散热条件下，电池模组以2C倍率放电时最高温度为35.08 ℃，最大温差仅为4.85 ℃. 研究结果可为电池热管理散热系统结构设计提供一定的理论基础.

关键词：锂离子电池;液冷;散热;STAR-CCM+;结构优化

中图分类号：U469.72                            文献标志码：A

Optimal Design of Heat Dissipation Structure of

Lithium-ion Power Batteries Based on Liquid Cooling

LIU Feifei YUAN Kang LI Jun HONG Xianhua GONG Yang

（School of Mechatronics and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Abstract：Aiming at solving the thermal inconsistency problem caused by non-uniformity of temperature field after lithium-ion battery cells are grouped，and the thermal safety problem caused by the thermal interaction between the battery cells at high temperature. The combined method with simulation and test is adopted. Three progressive heat dissipation schemes are designed based on the heat generation-transfer mechanism of lithium-ion batteries. including individual battery cells in groups，foam cotton between the battery cells，and liquid cooling plate arranged at the bottom of the battery module respectively. Also the liquid cooling plate is optimized. The finite element software STAR-CCM+ is used to simulate the temperature distribution of the battery modules at different discharge rates for the three schemes. The results show that the increase of foam cotton can reduce the thermal interaction between the batteries，thereby improving the thermal uniformity between the battery cells. Under the heat dissipation condition of the combination with foam cotton，heat conducting plate and optimized（using liquid cooled pipeline series parallel combination） liquid cooling system，the maximum temperature of the battery module is 35.08 ℃ at 2C discharge rate，and the maximum temperature difference is only 4.85 ℃. The research results can provide a theoretical basis for the structure design of cooling system for battery thermal management.

Key words：lithium-ion batteries;liquid cooling;heat dissipation;STAR-CCM+;structural optimization

纯电动汽车未来是人类的主流交通工具之一，动力电池是其唯一的动力源[1]. 而温度是制约动力电池性能的最关键因素之一，其中最高温度和温度一致性左右着电池寿命和续航里程[2]. 因此，动力电池热管理研究是当下的主要热点之一. 锂离子动力电池理想的工作温度范围在25 ～ 40 ℃，且电芯单体之间温差不宜超过5 ℃[3]. 在电池的充放电过程中，模组本身由于化学反应会产生大量的热，如果热量不及时散出而积累在电芯内，会导致模组内部产生较大的温升及单体电芯的温度一致性较差，并由此会引发一系列后果，轻则影响电池的循环次数，重则导致电池热失控甚至引发火灾[4]. Liu等人[5]的实验研究发现，选取一个锂离子电池，并且使用NCM523作为该电池的正极材料，在53 ℃的环境下做100次循环后发现，该电池的寿命比之正常的减少了52.8%. Guo等人[6]使用磷酸鐵锂电池做了相关的实验并且对数据进行了对比发现，在30 ℃、50 ℃的环境下分别做50次的循环，处于50 ℃条件下的电池寿命及容量衰减得更多. 李龙飞[7]研究发现电池成组后以同倍率放电，2C时最高温度比单体放电时高22.68 ℃;电芯温差也达到了9.82 ℃，远高于单体放电时的4.98 ℃. Yuksel等人[8]研究了磷酸铁锂电池的温度环境对寿命及容量的影响发现，采用强制风冷进行冷却散热后，电池的寿命能提升6%左右.

根据介质的不同电池热管理可区分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却等[9]. 但随着电池功率性能的要求，单纯的空气冷却已经满足不了高倍率充放电电池系统的散热要求，尽管相变冷却性能良好，但其颇高的成本限制了其在生产中的应用[10]. 因此，对于高充放电率、高产热率的电池组而言，液体冷却具有明显的优势. 邱焕尧[11]设计了一种W形冷却管道，布置在18 650圆形电池的周围，模组以2C倍率放电，最高温度控制在38 ℃，温差控制在5 ℃之下;许时杰[12]設置了一种蛇形液冷管道，布置于方形电池模组的底部位置，模组以2C倍率放电，温度最高为39.2 ℃，温差为4.26 ℃;

电池液冷散热研究主要是通过改变电池的排布结构以及液冷管道的结构实现散热优化等，然而对于电池成组后引发的热交互对液冷散热影响的研究尚较缺乏. 针对电池成组后的热不一致性及热安全性问题，设计了一种新的电池散热结构，即在电池单体之间夹隔泡沫棉，隔绝单体之间的热交互，同时当电池在行驶路况时起到一定的减震保护作用，并且在模组底部加入导热垫和液冷板，加快散热速度. 在单体电芯的内阻测试实验及电芯放电温升实验的基础上准确建立了电池的热仿真模型，并进行模组递进式散热设计：方案一采用自然散热、方案二采用在电池单体之间夹隔泡沫棉，方案三采用液冷系统散热并且对液冷散热结构进行了优化设计. 应用STAR-CCM+软件，对电池模组在不同放电倍率下的温度场进行热仿真分析，对比电池的散热效率，得出电池模组的最优散热方案.

1   数学模型的建立

1.1   锂离子电池产热机理

1.2   电芯热物性参数获取

1.2.1   电芯导热系数

锂离子动力电池的内部组成材料多种多样，每种材料的导热系数都不尽相同，并且其内部材料的排布排列形式也有所差异. 因此锂离子电池的导热系数在各个方向是不同的，即具有各向异性. 本文采用串并联热阻的方式计算电池的导热系数，假设电池的厚度方向为Z方向，宽度方向为X方向，高度方向为Y方向[14].

1.2.2   电芯密度

1.2.3   电芯比热容计算

1.3   锂电池单体生热速率模型及热边界条件建立

1.3.1   电池生热速率模型

1.3.2   热边界条件

1.4   流场与温度场协同原理介绍

2   电池内阻的测定及温升实验

2.1   电池内阻测试

2.2   单体电芯温升实验

3   电池建模仿真及验证

4   电池模组的建立及仿真分析

4.1   方案一 自然散热模组设计及热仿真分析

方案一采用10个电池单体并联组成1个模组，编号从1至10. 如图6所示. 图7为方案一模组在自然对流条件下2C倍率放电结束时的温度云图. 图8为方案一模组中电池单体在2C放电结束时的最高温度、最低温度和温差数据图.

由图7和图8可知，当模组2C放电时，整个模组内部的温度明显高于外壁面与极耳部分. 这是由于在对流的条件下，外壁面和极耳部分能充分的对流散热，而模组内部由于空气流通的限制，产生的热量很难通过对流换热传出，并且电池单体之间产生热交互的作用，随着热量积累导致温度升高. 2C放电时最高温度达到了56.48 ℃，已经超过了电池最合适的温度范围;且模组以2C倍率放电时，单体电池的温差较大，达到了7 ℃以上，此时的单体电池温度一致性较差. 若电池长期处于此温度环境中，则会损伤电池的使用寿命，并且还会带来一定的安全隐患. 故锂离子电池单体不能直接大量成组使用，必须设计合理的散热方案.

4.2   方案二 单体电池夹隔泡沫棉的模组设计及热仿真分析

基于方案一可知电池成组时高温区域主要集中在内部，一部分原因是由于电池放电时产热过多没能及时的散出，另一部分原因在于电池与电池单体之间紧密接触，它们之间发生的热交互作用，因此温度聚集在内部区域. 为此进行模组散热设计的改进. 如图9所示，方案二所使用的是在电芯单体之间夹隔泡沫棉，由于泡沫棉的导热系数很低，这样可以阻止电芯单体之间的热传递，防止热量堆积在一起.

由图10和图11可知，电池单体之间夹隔泡沫棉之后，由于泡沫棉的低导热性，使得电池的热量沿平行于泡沫棉方向传导，从而达到热均衡性，模组最大温差为5.32 ℃. 由于单体成组放电，电池产热量大，单纯的自然冷却以及采取热源之间相互隔离的方法显然还是不能将温度控制在合适范围内，仍然处于50 ℃以上的高温条件.

4.3   方案三 采用液冷系统的模组设计及热仿真分析

针对方案二中模组在放电情况下温度仍然较高的问题，本方案采用液冷系统给电池模组进行强制散热，液冷板流道结构及电池模组如图12所示，电池模组下面垫有导热垫，在导热垫下面装有液冷板，液冷板采用铝制，流量进口采用质量流量，设置为2 L/min.

图13为方案三模组在2C放电结束时的温度云图、流道压力分布图以及速度矢量图. 根据图13（a）可知，采用了液冷系统进行强制散热后，模组高温问题得到明显的改善. 2C倍率放电时最高温度为38.39 ℃，整个模组的高低温区域较为明显. 单体电池的温差较大，这是因为流道内冷却液的分配不均匀所导致的. 从压力分布图13（b）也可以看出，右边的压力整体都是高于左边的，压降为192 Pa. 速度矢量图13（c）中的速度分布也是右边更加的均匀，左边的流量分配得很少，导致散热协同效果差. 从而造成了模组的温度场差异化较明显，右边温度低左边温度高的现象. 需要优化液冷板的流道结构来改变模组温度分布不均匀，单体电池温差较大这一现象.

針对模组温度场高低温区域化明显、单体电池温差较大现象，对液冷板进行了优化设计，液冷板结构示意如图14所示. 流道的数量减少，流量可以分配更加均匀. 图15是方案三液冷板优化后模组在2C放电结束时温度、压力以及速度云图.

对比图13和图15可知：在对液冷板进行优化之后，可以看到模组两侧的温度一致性得到了改善，且最高温度下降了2.6 ℃. 但是管内的压降增加了823 Pa达到1 000 Pa以上，这对水泵以及管道的要求都比较高. 从速度矢量图中可以看到，流速以及流量的分配也得到了较大改善，但是还是有不足之处.

为此，本文对液冷管道结构再做优化设计，结构示意图为图16，流道结构采取2并3串的串-并联相结合的形式，能使流量在管道内分配得更加均匀，散热协同效果更优，相反管道内的各处压力还能下降. 仿真结束后云图如图17所示.

图17为方案三液冷板再优化后模组中各单体在2C放电结束时的温度云图、压力云图以及速度矢量云图. 图18为单体电池最高温、最低温以及温差图. 结合图17和18可知，模组的最高温度以及温度一致性都很好，流道内的流量分配度较高，冷却液最高流速达到了0.88 m/s，换热效率更快，整体的压降也仅为185 Pa. 模组以2.0 C倍率放电结束时，模组最高温度35.08 ℃，并且最大温差为4.85 ℃. 采用液冷板流道结构为串、并相结合的液冷系统作为热管理方案，可使锂离子电池工作时温度处于合理的范围，且温度一致性较好.

5   结   论

通过对单体电池实验与仿真相结合的方式验证了模型建立的准确性. 并在此基础上，设计了电池单体单独成组（方案一）、电池单体之间夹隔泡沫棉（方案二）、电池模组底部布置液冷板（方案三）3种递进式散热方案，并对液冷板进行了两次优化设计. 使用串-并联相结合的液冷板流道结构作为方案三的冷却系统时，模组散热效果最好，在2C放电结束时，单体模组的最高温度为35.08 ℃，最大温差为4.85 ℃. 相比于方案一，其散热效率提升了37.9%;相比于方案二，其散热效率提升了29.8%. 由此可见，采用优化后的方案三，在电池单体间增加泡沫棉可减少电池间的热交互，提高电池的热均衡性，同时对电池在行驶路况时起到减震保护作用，提高电池的安全性能;再者，在电池模组底部增设导热垫和液冷板，可加快电池的散热速率，同时配合液冷板流道结构为串-并联相结合的设计，从而实现有效的热管理. 研究结果可为动力电池热管理及其散热结构优化设计提供一定的参考.

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