锂离子电池模组液冷散热设计

沈华平，竺玉强，杨梓堙，杨 桃，栗欢欢

(1.江苏春兰清洁能源有限公司，江苏泰州 225300；2.江苏大学汽车工程研究院，江苏镇江 212013)

近年来，由于国家经济的迅猛发展，传统内燃机汽车的大量普及和应用，致使能源短缺、环境污染等问题日益突出，引起全球各个国家的广泛关注[1]。因而新能源电动车将成为未来汽车行业发展的必然趋势。电动汽车的动力来源于动力电池，所以对电动汽车而言，其动力性能取决于动力电池的性能[2]。

锂离子电池由于具有工作电压高、比能量高、自放电率低、无记忆性以及对环境无污染等优势，现今已成为最具有发展前景的动力电池。但锂离子电池在工作过程中会产热，若是这些热量无法及时散出去，热量一旦积累起来将会导致电池包温度升高和温度分布不均匀，从而致使电池性能下降，严重的话甚至引起电池发生热失控，进而危及安全[3-4]。因此，设计一个可靠高效的电池热管理系统至关重要。合理的电池热管理系统需保证模组最大温差不超过5 ℃，模组能保持在20～40 ℃范围内工作[5]。

为了及时排出电池在工作过程中产生的热量，各式各样的冷却方式不断被提出和改进。Fan 等[6]研究了空气流量对电池模组散热效果的影响，研究发现增大空气流量可以降低电池模组的最高温升。Chen 等[7]研究了四种单体冷却方式：风冷、直接液冷、间接液冷和翅片冷却，结果表明，风冷系统要保持平均温度不变，需要比其他方式多2～3 倍的能量；间接液冷系统的最高温升最低；系统体积相同情况下，间接液冷比直接液冷的冷却性能略低，但其应用更为普遍。

间接液冷系统目前主要研究液冷板的布置、流道设计以及结构优化等对冷却性能的作用。Jarret 等[8]研究流道形状、流道宽度以及冷却介质流速对电池模组散热效果的影响，结果表明，改变流道形状、流道宽度或冷却介质流速其中一样，都会影响电池模组的散热效果。Xu 等[9]建立了t 型分岔盖板液冷散热模型对电池模组散热进行研究，结果表明，该结构可以使每个流道都流有均匀的冷却液，有效地提高了电池模组温度均匀性。

本文以电池模组作为研究对象，针对常见的液冷散热串行通道温度一致性差的问题，结合串行通道和并行通道的特征，提出了两种新型流道结构。在单体热模型的基础上，建立了电池模型液冷散热模型并对比了这几种流道结构的散热效果，验证了所提出的新流道结构的优越性。

1 模型构建与验证

本文测试的电池是合作商提供的一款30 Ah 三元方形锂离子电池，正极材料为镍钴锰(NCM，LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)，负极材料为石墨，其具体技术参数如表1 所示。对电池进行测试时，温度传感器设置在电池表面上部、中心处、下部以及侧面中心处，如图1(a)所示。本文选取电池正面上中下三个位置作为温度采集点的原因是因为正面面积最大，这些点的温升能够体现出电池表面的温度分布情况，从而为后文中单体热模型验证研究工作的可靠性提供指导；而第四个采集点选取为电池侧面的原因是因为后文研究的电池模组模型中，液冷板主要通过与电池侧面相接触来带走电池产生的热量。

图1 电池模型及温升曲线图

表1 锂离子电池基本性能参数

在Fluent 中设置好相应的边界条件后，在测试温度为25 ℃下对单体电芯进行恒流放电的温升仿真，恒流放电倍率分别为1C、1.5C和2C，在模型相应的位置也设有四个温度采集点。

仿真与实验的四个点温度的平均值结果如图1(b)所示。由图可知，在1C放电倍率下，仿真与实验的温度曲线相仿；而在1.5C、2C放电倍率下，仿真与实验的温度曲线虽然有一些偏差，但最大偏差值低于1 ℃。由此可知，在不同倍率下仿真与实验温升曲线有很好的一致性，证明本文所建立的单体锂离子电池热模型具有准确性。

在单体热模型基础上建立了电池模组模型，该模组模型包含12 块电芯与2 块液冷板，并且运用CATIA 建立了简化后的电池模组模型，如图1(c)所示。

本文研究单向进出口的液冷板流道，通过改变其串行通道和并行通道来分别降低流道进出口的压降和提高流量分配的均匀性，从而改善模组温度的一致性。设计了四种流道结构方案，如图1(d)所示，将四种方案的流道的管道横截面积、管道间距等基本结构参数都设计一样。后文将研究这四种流道的结构对电池模组的散热效果和进出口压降的影响，选出最佳的结构方案。

2 结果与分析

2.1 不同流道结构散热效果对比分析

研究四种结构方案下，2C倍率放电末期测得电池模组的最高温度与最大温差数值如表2。由表2 可知，方案二的并行流道结构对模组的散热效果最不理想，最高温度和最大温差都是最大；而方案一的蛇形流道结构进行液冷散热，模组的最高温度值是最小的，但最大温差值小于改进过的方案三，表明了改进过的流道结构可以提高电池模组温度的一致性。

表2 模组最高温度与最大温差 ℃

如图2(a)所示，方案二的并行流道内冷却液的流速最小，但因为外侧通道的流动阻力大，而中间的阻力小，以致出现了分配的流量不均衡现象。方案一的蛇形流道内冷却液的流速最大，而方案三和方案四的冷却液流速位于方案一和方案二之间，且两者冷却液分配的流量较均衡。

图2 不同流道结构下冷却液速度及进出口压力分布云图

如图2(b)所示，方案二的并行流道的压降最小，方案一的蛇形流道的压降最大，而方案三和方案四的流道压降大小介于方案一和方案二之间。其中原理与液体流速原理一样，流道的压降越大，使冷却液流动起来需要的能量就越多，所消耗的能量也就越多，相应的冷却系统能量消耗也会增加。

通过对上文研究结果分析，可以得出：同时考虑电池模组散热效果与冷却系统的能耗情况，选定最优流道结构为方案三结构。后文将以方案三结构对模组液冷散热效果的影响进一步展开研究。

2.2 冷却液进出口位置对电池模组散热效果的影响

研究两侧液冷板冷却液进出口位置对电池模组散热效果的影响，设计了四种进出口方案，如图3(a)所示。方案一和方案二的两侧液冷板冷却液进口均设计在模组的上端，前者两侧液冷板的进口方向一致，后者的方向相反；而方案三和方案四的两侧液冷板冷却液进口则都设计在模组上下两端，前者两侧液冷板的进口方向一致，后者的方向相反。

2C倍率放电结束时的不同方案下模组温度分布云图如图3(b)所示，模组的最高温度和最大温差数值如表3 所示。结合图表分析可得：方案三散热效果最好。

表3 不同方案下电池模组散热效果对比 K

2.3 冷却液流量对模组散热效果的影响

仿真研究不同冷却液流量对模组散热效果的作用，在仿真软件中设置模组的初始温度与冷却液的初始温度都是298.15 K。

2C放电结束时模组温度分布云图和温度曲线图分别如图4(a)和(b)所示，模组最高温度和最大温差如图4(c)和(d)所示。从图中可以看出，增加冷却液流量虽然能够降低模组的最高温度与最大温差，但降低的幅度逐渐减小。因此，冷却液流量的选择应综合考虑散热与能耗情况。

图4 不同冷却液流量对散热效果的影响

2.4 冷却液初始温度对模组散热效果的影响

在冷却液流量0.1 L/min 和环境温度298.15 K 的条件下，仿真研究不同冷却液初始温度对电池模组散热效果的影响。

2C放电结束时模组温度分布云图和温度曲线图分别如图5(a)和(b)所示。模组最高温度和最大温差如图5(c)和(d)所示。从图中可以看出，降低冷却液初始温度能够降低模组的最高温度但同时也会增大模组的最大温差。因此，冷却液的初始温度应该选择个中间值，不宜过低。

图5 不同冷却液初始温度对模组散热效果的影响

2.5 流道结构参数对模组散热效果的影响

本节研究流道的入口宽度、入口长度以及间距三个结构参数对电池模组液冷散热效果的影响。其中，流道长度取值范围依据液冷板厚度方向尺寸，流道宽度和流道间距的取值范围除了考虑液冷板长度方向尺寸限制外，还保证了两者之间互不干涉，比如如果流道间距过大，则流道长度应该适当减小。仿真输入电流均为2C。

(1)流道入口宽度

在其他条件不变情况下，仿真研究不同入口宽度(width)对模组液冷散热的影响如图6(a)和(b)所示，其中入口宽度取2.6、3.4、4.2 和5 mm。由图可知，随着流道入口宽度的加大，模组最高温度逐渐上升，但上升范围不大，而模组的最大温差整体趋势却是下降的。

(2)流道入口长度

在其他仿真条件不变下，研究不同入口长度(length)对模组液冷散热的影响如图6(c)和(d)所示，其中入口长度取4、6、8、10 和12 mm。由图可知，模组最高温度受入口长度的影响极小，模组的最大温差随着入口长度的加长而上升，并且上升幅度显著。

图6 流道结构参数对模组散热效果的影响

(3)流道间距

在其他仿真条件不变下，研究不同流道间距(ds)对模组液冷散热的影响如图6(e)和(f)所示，其中间距取23、25、27 和29 mm。由图可知，模组最高温度几乎不受间距的影响，但最大温差却因间距的增加而逐渐变大。

3 结束语

本文在恒流放电工况下对单体电芯进行温升的仿真与实验研究，结果表明在不同倍率下仿真与实验温升曲线有很好的一致性，验证了单体锂离子电池热模型具有很好的准确性。其次，在单体电池热模型基础上建立了模组液冷散热模型，比较分析四种不同流道结构下模组的散热效果，结果表明方案三结构是具有最优散热性能的流道结构。最后，以方案三结构进一步展开研究，仿真分析在不同冷却液进出口位置、流量、初始温度以及流道结构参数下模组的散热性能。结果表明：(1)两侧液冷板的冷却液进口位置分别设计在电池上下端时的液冷散热效果相对较好；(2)增大冷却液流速能够显著改善模组的散热效果，但流量过大会使液冷系统的能量消耗增加；(3)冷却液的初始温度降低能使模组的最高温度变小，但模组的温度均匀性会变差；(4)流道结构参数对模组的最高温度影响不大，但入口宽度减小、入口长度以及间距的加大都会使模组最大温差变大，影响温度一致性。