基于蛇形通道的电池组液冷方案设计与优化

王明悦，林家源，刘新华，张金刚，闫啸宇，杨世春，*

（1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100083；2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

随着新能源电动汽车的快速发展，动力电池也逐渐引起广泛关注，而工作温度是影响动力电池输出性能的决定因素之一［1］。对于备受青睐的锂离子动力电池，其适宜的工作温度范围在0～55℃，最佳的工作范围仅为20～35℃［2］。当环境温度过低时，锂离子电池的充放电电压迅速降低，内阻急剧增大，从而导致充电困难，加大析锂的可能，引发衰减或安全事故；当环境温度过高时，电池的使用寿命会迅速衰减，自放电现象加剧，甚至会诱发热失控事故［3］。因此，应用热管理技术控制动力电池工作在适宜温度范围内对电动汽车行驶安全性具有重要意义。

电池热管理的方式主要有4种：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却［4］。

空气冷却又称风冷，利用流经电池表面的空气带走电池内部产生的热量，简单易行、成本低，是发展最成熟的一种方式，现阶段对风冷的研究主要集中在改善系统结构［5-6］、发展新模型［7-8］、优化控制策略［9-10］等方面，但空气冷却散热效率低、温度一致性差，在实际应用层面正逐渐被取代。

相变材料冷却和热管冷却是较新型的电池热管理方式。相变材料（phase change material，PCM）发生状态变化时会吸收或释放大量的相变潜热，Mills和Al-Hallaj［11］通过实验证明，即使在高倍率放电的情况下，利用PCM的这一特性也能显著改善电池系统性能，且冷却效果远远优于风冷。但PCM作为一种单纯的储热元件并不能很好地传递出其自身的热量，所以往往将其他散热策略与相变材料结合使用［12-13］。热管是一种有效的传热元件，导热能力非常强，近年来以其自身导热高效、布置简便等优点被应用于热管理系统中，在电池组原散热策略中引入热管结构后，电池被证明能够在限定温度范围内实现连续更多次的充放电循环，且温度控制更加准确［14］。虽然在散热/加热速率、保持电池组温度分布均匀性等方面热管冷却均有很大优势［15-16］，但目前该技术在热管理领域仍处于实验室阶段，很少有实际应用。

液体冷却的常见方法是将冷却液注入管道或其他形状的散热结构中，通过低温液体的循环流动带走电池产生的热量。Pendergast等［17］将电池用铝模块包裹，然后放入水中冷却，该实验简明扼要地阐释了液冷系统的本质。优化结构设计是很多学者的研究重点，冷却液通道的位置、数目、流向等对系统的冷却性能有不可忽视的影响［18-19］。Basu等［20］还提出了在流体一侧焊接冷却翅片的方式强化冷却，翅片在固定电池的同时起到了扩大换热面积的作用，大大提高了液体的冷却效率。另外，采用新型制冷工质作为冷却剂的研究也较为普遍，如铜-水纳米流体［21］、电子冷却液NOVEC 7000［22］、液态金属［23］等都被证明能够有效提高系统的冷却性能。综合比较，液冷方式凭借其在冷却效率、能耗、可操作性等多个方面的优势，已经成为目前动力电池热管理研究和应用的主流［24］，市场中的特斯拉Model S、奥迪A3、通用Volt等都是应用了液冷技术的车型。

1 电池组液冷系统设计

1.1 锂离子电池生热特性

锂离子电池在实际充放电过程中的反应机理十分复杂，现常把其生热来源分为4部分［25］：与熵变有关的反应热、因内阻引起的焦耳热、极化热及由副反应产生的热量。建立热模型是模拟电池工作过程中温度变化的有效手段，电池热模型描述了电池热量的产生、积累和传递过程。圆柱形电池的方程如下：

式中：ρ为电池密度；Cp为电池比热容；T为电池温度；τ为时间因子；Qb为电池生热量；kr、kφ、kz分别为圆柱形电池沿径向、周向、轴向的导热系数。

Bernardi等［26］在电池内部温度场均匀一致性假设的基础上提出了电池的生热功率公式，该公式将电池处理为均匀热源，温度随时间变化。而电池的热量只来自于2方面，因内阻引起的焦耳热和因电化学反应引起的熵变热，即

式中：Eoc为电池在平衡状态下的开路电压；E为实际工作电压；I为工作电流；d Eoc/d T为熵权系数。电池的等效内阻Rr为欧姆内阻RΩ和极化内阻Rp之和，即有

所以，电池放电过程中总的生热功率为

1.2 基于蛇形通道的液冷结构

某款纯电动物流车的电池系统由10个相同的模组串联组成，如图1所示，其中电池单体为18650型锂离子电池，模组内共171颗电芯形成19并9串连接。

图1 电池模组结构Fig.1 Structure of battery module

如图2所示，冷却液流道穿插布置在模组中，整体上设计为“S”形，两端分别为入口和出口，每列电芯的一侧与冷却管道接触。在细节上，采取“蛇形”的细小扁管设计，由于电池箱中电芯排列较为紧密，冷却液扁管状流动通道的预留宽度仅为2.5 mm。流道在其与电芯接触处有一定的弯曲弧度，以达到与电芯贴合的效果，更多地带走电池产生的热量。显而易见，当接触夹角θ越大时，冷却管道与电芯之间的接触面积越大，传递的热量越多，冷却效果就越好，但θ过大又会使冷却液流动时受到的阻力和压强损失增大，系统的能耗增加，参考文献［27］中关于接触换热面积对散热效果影响的研究，取θ角为60°；同时，考虑流道结构平滑过渡及其紧凑性，取图中靠近直角弯道处θ′为30°，以此满足：①冷却管道与电芯接触面积适中以保证散热效果；②冷却液流动时压力损失小以减少水泵功率消耗。

图2 冷却液流动通道Fig.2 Coolant flow channel

1.3 液冷系统仿真模型

由于电池组内部结构较复杂，为了提高计算效率，忽略其中对温度场影响较小的部件，如固定板、螺栓、线束等，利用COMSOL软件建立仿真模型、划分网格并进行瞬态计算。

图3为电池组液冷结构网格模型，无冷却结构时，电池组放置于空气域中，采用自由四面体网格；有液冷结构时，冷却液流体流动采用k-ω湍流模型［28-29］，入口为0.015 kg/s质量流量边界，出口为压力边界且静压为0，冷却液与流道界面设边界层，流道与电芯间设接触热阻为0.002 5 m2·K/W［20］，电池及冷却液流道与空气接触的部分设为自然对流换热，换热系数取5 W/（m2·K）。

图3 电池组液冷结构网格模型Fig.3 Grid model of battery pack liquid cooling structure

根据Bernardi方程的适用条件，将单体电池视为一个均匀热源，生热功率即为式（5）；同时，将其热容和导热系数均视为常数，不随外界温度和电池荷电状态的变化而变化。有实验证明，在该假设条件下，圆柱形锂离子电池单体的实际温升与仿真温升的误差在可接受范围之内，且温升趋势相近［30］，故认为所建模型基本符合电池实际生热情况。冷却液工质为体积分数50%的乙二醇溶液［31］；冷却液流道以铝合金为材料，由于结构尺寸较小假设其热物性参数恒定。上述材料的热物性参数如表1所示。

表1 材料热物性参数Table 1 Thermophysical parameters of mater ial

2 电池组温度场仿真分析

2.1 无冷却结构

分别以初始温度为25℃和35℃做瞬态研究，得到不同放电倍率下电池完全放电时的平均温升和最大温差曲线，如图4所示。以初始温度25℃为例，当放电倍率从1 C增加到2.5 C时，电池组的平均温升从15.417℃增长到29.314℃，而最高温度则达到了61.775℃，同时模组内温差从12.456℃增长到24.519℃。如图5所示，模组的最高温度Tmax和平均温度Tmean都随着电池的工作过程不断升高，在放电结束时刻，越靠近中心位置的电芯温度越高，这是因为四周位置的电池相对中心电池有更好的散热条件，随着电池的不断放电，边缘与中心位置的电芯温差逐渐增大；而且高放电倍率对应大放电电流、短放电时间，产生的热量多，同时，较短的放电时间使得热量来不及向外以传递从而不断积累，导致温升越大。

图4 无冷却结构电池组特征温度Fig.4 Characteristic temperature of battery pack without cooling structure

图5 初始温度25℃、1 C放电工况Fig.5 1 C discharge condition at initial temperature 25℃

2.2 液冷散热结构

电池最佳工作温度范围上限35℃为初始温度，如图6所示，加入液冷散热结构后的仿真结果与无冷却模组特征温度对比，显然，液冷结构使得电池组的最高温度和温差都有明显下降，能够实现降低电池温升和温度的不一致性，即使电池以2.5 C倍率完全放电，最高温度也未超过35℃。但随着电池放电倍率的增大，模组内温差逐渐增大，当放电倍率达到2 C以上时，模组内温差已经大于10℃。

图6 电池组最高温度和温差Fig.6 Maximum temperature and temperature difference of battery pack

图7为放电结束时刻电池组温度分布云图，与无冷却结构电池组相比最高温度点的位置发生变化，这是因为冷却液在流动过程中会带走电池产生的热量，所以沿着流动方向冷却液的温度渐渐升高，出口位置冷却液的温度甚至达到了25℃以上，与电芯交换的热量逐渐减少，散热效果较差。另外在结构上，由于冷却液流道S形弯道处与电芯的接触角仅为30°，较小的接触面积及相对入口较高的冷却液温度使得第二弯道处的散热效果变差。

图7 高温工况液冷散热电池组温度云图Fig.7 Temperature contour of liquid cooling battery pack under high temperature condition

3 优化设计与仿真

如图8所示，对蛇形冷却液流道进行结构上的优化：整体外观改为U形以缩短流道长度，单支流道冷却的电芯数量减少；此时可将原直角弯道处30°的接触角增大到60°，未造成流动损失的增加并且扩大了散热面积。同时，冷却液的流量也会对散热效果产生较大影响，故考虑采用在电池大倍率放电时适当增大冷却液流量以降低电池组的最高温度。

图8 冷却液流道优化结构Fig.8 Optimized structure of coolant flow channel

表2为初始温度为35℃的高温工况下，不同条件下电池组的最高温度、温差及冷却液出口温度等。

表2 优化方案高温工况电池组特征温度Table 2 Characteristic temperature of battery pack under high temper ature condition in optimized scheme

如图9所示，优化后的U形液冷结构使得电池组的最高温度和最大温差均有下降，冷却性能得到提高。电池以2 C及2.5 C倍率放电时，增大冷却液流量的方法使温差分别降低了1.86℃和3.066℃，并且以2.5 C大倍率放电时温差也仅为7.769℃，实现了将温差控制在10℃之内的要求。从温度分布云图（见图10）可以看出，此时模组内最高温度点的位置也有所变化，与原S形流道相比，电池组的温度分布更均匀。

图9 不同结构、策略条件下电池组特征温度对比Fig.9 Comparison of battery pack characteristic temperature under different structures and strategies

图10 优化方案高温工况电池组温度云图Fig.10 Temperature contour of battery pack under high temperature condition in optimized scheme

4 结论

本文针对某款纯电动物流车的电池模组设计了一种基于蛇形通道的液冷散热结构，并建立了对应的仿真模型。通过分析该模型在不同环境初始条件、不同电池放电倍率、不同冷却液流量的仿真结果，得到了适用于电池模组的热管理方案，具体结论如下：

1）无冷却结构时，相同初始条件下，电池放电倍率越高，电池组的最高温度、最大温差越大，常温25℃时，电池完全放电后模组最高温度远远超过最佳工作温度上限。

2）提出的基于蛇形通道的液冷结构能够明显改善电池组的工作条件，与无冷却结构的电池模组相比，在35℃高温工况下，液冷系统使得电池组最高温度、平均温升、最大温差3项指标都出现下降趋势。

3）采用适时增大冷却液流量的方法，优化后的液冷结构能够使电池模组工作于最佳温度20～35℃，同时满足温差小于10℃的要求。