平板热管与液冷板作用下锂离子电池组热管理系统特性

赵丽丽,周大翰,管昭辉

(沈阳大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110044)

在实际应用中,因需要获得足够的功率和能量,新能源汽车的电池通常是以串并联的形式组装成电池包使用,在密闭的电池箱内包含了成百上千块电池。在高倍率充放电循环期间电池组会产生大量热,加速各种电化学反应的发生,随着电池组内热量的增加,会影响电池的性能,产生过热、燃烧和爆炸等风险,电池组温度高于40 ℃或低于15 ℃时,电池组容量和能量产生剧烈衰减,并可能发生短路和着火等危险。因此需要有效的电池热管理系统来保障电池组的性能和安全[1]。

在电池热管理系统的研究中,在电池组提供足够功率和能量的前提下,为确保电池组具有最大循环寿命和最优存储能力,应将电池组温度控制在20～30 ℃范围内。对于在30～40 ℃范围内工作的锂离子电池,温度每升高1 ℃,电池寿命就会缩短2个月。单个电池过热时,会产生大量的热,从而引发相邻电池的热失控,导致整个电池组出现故障,单个电池之间的温度差应小于5 ℃。因此,汽车在各种工况下运行时,控制电池组温度的稳定性及单体电池之间温差的稳定性至关重要。

当前有空气冷却、液体冷却、热管冷却、相变材料冷却及它们的组合冷却形式[2-6],其中最常见的冷却方式是空气冷却和液体冷却。与空气冷却相比,液体冷却具有比热容和对流换热系数大的优势。液体冷却系统与电池组进行换热时,能将电池组的热量迅速带出,快速实现散热需求[7]。在电池底部增加液冷板冷却方形锂离子电池的过程中,由于电池的热阻较大,电池上部的热量较难通过底置液冷板带走,电池组内热均衡性较差。

针对电池组中热均衡性不良的问题,提出将平板热管与液冷板结合的新型散热方式,利用热管与液冷板结合来平衡电池组内温度的不均匀性和降低电池温度峰值,液冷板与热管冷凝端进行换热能够加快热管内液体循环速度,提高冷却能力,达到防止电池组内电芯过热的目的。并通过改变冷却液入口流速进行研究分析。

1 单体电池生热机理与生热计算

1.1 电池生热速率模型

锂离子电池由正负极、隔膜、电解液、集流体等组成。电池生热速率的准确计算是电池热管理系统设计和分析的基础。电池单体的生热速率受电流密度、荷电状态及环境温度等多因素影响,具有高度非线性,很难进行准确地测量。因此,针对电池单体的生热速率,目前广泛使用Bernardi数学模型计算[8]。该模型对锂电池作出必要的假设:电池内部产热均匀;内部各种材料均匀、密度一致;材料的热物性参数不随温度与荷电状态而变化;忽略电池内部对流换热与辐射散热的影响。

电池生热速率方程为

(1)

1.2 热物性参数

单体电池内部每层材料的热物性参数各不相同,由于锂离子电池内部结构为层叠型结构,所以单体电池的导热性为各向异性。在电池的长度和高度方向,电池内部各层材料并联,在厚度方向电池各层材料串联。因此根据热阻串并联原理,估算电池各个方向的热物性参数。令x方向表示为厚度方向,y、z方向分别表示为长度和高度方向。假设锂离子电池中各材料的导热系数在工作过程中均为常数,则在不同方向的导热系数计算如下:

(2)

式中:li为电池第i层材料的厚度;λi为电池第i层材料的导热系数;λx,λy,λz分别为电池沿着3个方向的等效导热系数。

单体电池的定压比热容Cp一般视为常数,其数值大小与各层材料的性质有关,通过质量加权法计算得到,计算公式为

(3)

式中:ci为各组成物质的比热容;mi为各组成物质的质量;mc为电池质量。

电池的平均密度ρ计算公式为

(4)

根据式(2)～式(4)得到单体电池相关物性参数,选用某车三元锂离子电池,电池容量为234 Ah,标称电压为3.7 V。电池外观尺寸和单体电池物性参数如表1所示。电池箱体上盖板为保温材料,下托盘与液冷板材料均为6063铝合金,冷却液选用质量浓度为50%的乙二醇溶液。热管理系统元件物性参数如表2所示。

表1 单体电池物性参数Table 1 Physical properties of single cell

表2 热管理系统元件物性参数Table 2 Physical parameters of thermal management system components

2 新型电池组热管理系统模型

2.1 模型的建立

选择一款容量为234 Ah的三元锂离子电池,其工作电压在3.0～4.2 V。选用20节方形电池(受电脑仿真计算能力限制)布置在液冷板上部。液冷板内部如图1(a)所示,将液冷板冷却液出入口布置在相邻处,相邻2条管路的冷却液流速方向相反,此种布置方法可以平衡液冷板温度。然后,将相邻单体电池长度方向的间隙设置为15 mm,厚度方向的间隙设置为3 mm。厚度方向上在每2个电池间放置1个长630 mm、宽30 mm、厚3 mm的热管进行冷却,将热管冷凝端与电池液冷系统相连接[9]。平板热管中的工作液体通过蒸发带走热源中的热量,在冷凝端将热量传递给液冷板,使管中液体蒸汽能快速液化,回到蒸发端继续工作。将热管镶嵌在电池间,对电池厚度方向进行散热,使电池组内温度更加均匀。在液冷板上表面并联1个热管冷却装置,与热管冷凝端连接,通过其内部冷却液流动带走热管的热量,使热管内液体蒸汽快速液化,回到蒸发端继续对电池进行冷却。平板热管与液冷板结合的电池热管理系统模型如图1所示。

图1 电池热管理系统模型Fig.1 Model of battery thermal management system

电池可在高度和厚度2个方向散热:在电池高度方向,电池底部布置导热垫,增大电池底部换热面积,散热方向为电池底部传向导热垫,再传向液冷板,最后通过液冷板内部的流体进行传导散热;在电池厚度方向,热管与电池间增加导热介质,提高热管的传热能力,散热方向为电池侧面、导热介质、热管、热管冷却装置。

2.2 计算域网格划分

图2 计算域网格划分Fig.2 Model meshing of compute domain

采用计算流体力学(CFD)方法,使用 STAR-CCM+软件计算流体仿真过程中,网格精度对计算结果和收敛性影响较大。将建立好的电池热管理系统模型导入STAR-CCM+中进行网格修复,将修复好的面网格采用多面体网格生成器对计算域进行网格划分,对流体区域采用网格加密处理,并设置一定厚度的边界层网格,使计算更加准确。模型共划分1 251万个网格单元,计算域网格划分如图2所示。

2.3 模型边界条件设定

在STAR-CCM+中对电池热管理系统进行仿真计算时,对热管理系统模型进行以下假设:

1) 把电池单体处理为均匀体热源,并将其各项异性热导率简化为在x、y、z3个方向的不同导热系数,且在仿真过程中导热系数不变;

2) 电池组产热仿真过程中,只考虑热传递和热对流,热辐射换热量极小,忽略热辐射对电池组散热的影响;

3) 在电池充放电时,其内部均匀一致,各电池单体视作产热率相同的均匀发热源;

4) 由于平板热管内部的传递机理较为复杂,建立的模型为简化模型,将平板热管简化成与实际热管大小相同,并具有很强导热性能的固体块[10]。

电池在1.2C放电倍率下产热功率为42.7 W;在1.0C放电倍率下产热功率为24.9 W;在0.5C放电倍率下产热功率为16.2 W,环境温度设定为25 ℃。液冷板对空气的自然对流传热系数取值为5 W·m-2·K-1[11]。采用控制策略为:当电池组内电池最高温度小于32 ℃,液冷板入口流速为0 m·s-1;当电池组内温度大于33 ℃,液冷板入口流速为2 m·s-1。考虑热管冷启动的问题,将平板热管的启动温度设置为33 ℃,同时将平板热管的等效导热系数设置为1 000 W·m-1·K-1[12-15]。

3 仿真结果与分析

对平板热管与液冷板结合的热管理系统进行对比仿真。冷却液流速是影响锂离子电池组散热性能的重要因素,以锂离子电池组的最大温升和最大温差作为评价其散热性能的指标。

3.1 单体电池及电池组热仿真分析

对研究的方形三元锂离子电池进行建模,由于电池内部结构复杂,如果对每层材料建模并划分网格,会造成巨大的计算量,因此把单体电池等效为均匀的长方体,如图3所示。为模拟实际电池与环境的换热,设置电池和环境温度均为25 ℃,电池表面对流换热系数为5 W·m-2·K-1。电池以1.2C进行放电,仿真时间为3 000 s。观察电池温度云图如图4所示,电池温度升高30 ℃,高温区域为单体电池中心区域,低温区域为电池的4个棱边处。

图3 单体电池几何模型Fig.3 Geometry model of single cell

图4 单体电池温度云图Fig.4 Temperature cloud of single cell

3.2 相同倍率下不同冷却方式的性能分析

图5为电池在25 ℃环境温度下,以1.2C放电倍率下液体冷却和平板热管与液冷板结合的热管理系统温度云图。从图5(a)中可以看出,靠近液冷板入口和电池组四周的温度较低,电池顶部的温度较高,且最高温度出现电池组中心区域。这是由于单体电池间存在热传导,且电池的热阻较大,使在顶部的热量不易散出。图5(b)是在电池两侧增加平板热管,平板热管与液冷板共同调节电池组中的温度。

图5 液体冷却和平板热管与液冷板结合方式电池组温度云图Fig.5 Battery pack temperature clouds of methods of liquid cooling and flat heat pipes combined with liquid cooling

图6为电池组以2种冷却方式的温度曲线,由图6得到在液体冷却的热管理系统中,电池在放电结束时温度曲线依然没有进行收敛,且电池组的最高温度为39.134 ℃,电池组内温度差值随着时间的增长而逐渐增大,最后增大到6.241 ℃。在平板热管与液冷板结合的新型冷却系统中,新型热管理系统在1 000 s左右开始启动,直至放电结束依旧处于收敛状态。将电池的最大温度控制在32.252 ℃,比液体冷却系统最高温度降低16.32%。根据上述分析可知,在单体电池两侧增加平板热管能够显著降低电池的最高温度和缩小电池组内温度差值,并且能将电池温度控制在一定范围内。

图6 液体冷却和平板热管与液冷板结合方式的温度曲线Fig.6 Temperature curves of methods of liquid cooling and flat heat pipes combined with liquid cooling

3.3 不同冷却液流速下散热性能分析

冷却液流速是影响热管理系统性能的关键因素。冷却液流速越快,冷却效果越好,电池温度越低,同时压降也越大,能耗也增大。因此合理选择冷却剂流速至关重要。选取4种冷却液流速,分析1.2C放电倍率时热管理系统的冷却性能。

图7为不同流速下电池包的温差和最高温度曲线。当入口速度由0.5 m·s-1提高到1.0 m·s-1时,电池的最高温度降低8%,最大温差降低了57%;当入口速度由1.0 m·s-1提高到1.5 m·s-1时,电池的最高温度降低不足1%,最大温差反而升高了15%;当入口速度由1.5 m·s-1提高到2.0 m·s-1时,电池的最高温度同样降低不足1%,同时最大温差也变大了。综合对比4种冷却液流速情况,冷却液流速在1.0 m·s-1时的综合效果最好。由此可知,增加冷却液入口流速可以在一定程度上降低最高温度及温差,但随着流速的增加,最高温度及温差下降趋势变缓,甚至导致温差变大。

图7 4种不同流速下电池组温度曲线Fig.7 Battery pack temperature profiles at 4 different flow rates

4 结 论

提出一种平板热管与液冷板相结合的锂离子电池组热管理系统结构,该热管理系统具有较强的散热能力,电池组内最高温度和温度差值等方面较液冷板结构有明显的优势。建立了三维有限元模型,分析了不同入口流速对散热性能的影响。主要结论如下:

1) 采用底置液冷板与平板热管结合的形式可以从2个方向对电池进行散热,使电池组内最高温度维持在40 ℃以下,最大温差保持在3 ℃左右。

2) 增加冷却液流速可以一定程度降低最高温度及温差,但随着流速的增加,最高温度及温差下降趋势变缓,甚至会导致温差变大。