基于高均温性锂离子电池液冷模组热管理研究

唐志国，赵仁陈，赵智健，王守成

(合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

动力电池是纯电动汽车关键核心部件。相比于其他类型的电池，锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、自放电率低和效率高等优点，是纯电动汽车核心动力装置的最佳选择[1]。锂离子电池的性能、循环寿命和使用寿命高度依赖于自身温度。温度过高可能引发破裂，爆炸和着火等危险[2]；温度过低则会降低电池性能，导致电池寿命缩短[3]。电池温差过大不仅会导致电池稳定性降低，甚至影响整个电动汽车的安全性[4]。因此，合理的电池热管理系统(BTMS)可以保持电池的最佳工作温度，改善电池组温度分布的不均匀性，有效避免电池组的热失控事故[5]。

电池热管理系统依据散热介质种类可分为空气冷却[6]、液体冷却[7-8]、相变材料冷却[9]、热管冷却[10]以及上述冷却方式的组合[11-12]。D.F.CHEN等[13]分别研究了在空冷，液冷和翅片冷却3种方式下软包电池的温度特性，结果表明空冷下需要多消耗2～3倍的能量才能使软包电池保持与其他冷却方式下相同的温升，而液冷方式的耗能仅为风冷的1/2。R.LIU等[14]比较了空冷，液冷和相变材料冷却的换热效果，结果表明，在降低电池温度方面，液冷比相变材料冷却更有效。所以液冷方式将仍是动力电池热管理研究和应用的重要方向。

通常来说，在电动汽车的实际应用中，动力电池组包含了数千个锂离子电池，热管理系统的设计目标应该是将所有电池工作温度控制在25～40 ℃范围内，并保持电池组温差不高于5 ℃[15]。目前许多研究大多采用增加电池与冷却介质之间的接触面积来提高电池热管理系统的换热性能。C.R.ZHAO等[16]设计了一种基于蛇形通道的液冷热管理结构，应用于由71个18650型锂离子电池的电池模块，并得出结论，沿流线方向沿流路增加电池和蛇形通道之间的接触面积，有助于进一步改善温度场的均匀性；Z.G.TANG等[17]提出了一种基于液体流动散热的多通道波形扁管结构，通过改变波形管接触角以及冷却工质的质量流量研究电池组的温度特性，结果表明，增加波形管接触角或提高冷却工质的质量流量，对电池模组的散热效率和温度场均匀性都有积极影响。但是波形扁管结构复杂，加工成本高，安装困难，并且具有较大的流阻[18]。

为了克服上述缺点，采用直通道扁管是一个更优的选择。Z.H.RAO等[19]设计了一种具有弧形表面的变接触面的散热铝块，铝块的弧面与圆柱电池相接触，铝块设置有5个平行直流圆管流道;Y.X.LAI等[20]提出了一种新颖的垂直导热管，其具有3个弯曲接触面，与圆柱形电池的侧面接触；Z.G.TANG等[21]提出了一种导热块接触面积可变的液冷结构，导热块的曲面与电池侧壁面紧密贴合，导热块由冷却管连接。研究表明，在提高电池组温度均匀性方面，具有可变接触表面的系统要优于具有恒定接触表面的系统。因此，如何在锂离子电池组中应用可变接触面积的直通道扁管将是当前研究的热点。

笔者针对某18650型锂离子动力电池组，设计一种采用等差梯度接触角的导热块和直流扁管的液冷式动力电池热管理模组结构。通过数值计算的方法来分析模组内电池的温度特性，特别是模组内电池的温度均匀性；并研究了αi、Δα和v对冷却性能的影响，优化了液冷式动力电池热管理模组结构。

1 液冷模组结构设计

图1为笔者提出的具有直流扁管和导热块的电池模组，单根直流扁管可冷却32节18650型锂离子电池。电池沿着直流扁管两侧均匀布置，电池与直流扁管之间的空隙填充导热块，导热块的两个弯曲接触表面(弯曲接触表面的曲率半径等于圆柱形电池单元的半径)与两个相邻电池的侧面紧密接触，另一个平坦表面与直流扁管的表面紧密接触，从而将电池产生的热量传递至直流扁管，然后传递至液体冷却介质。其中直流扁管材料是铝，导热块的材料是导热硅胶。图1中，w为直流扁管壁厚，l为流道宽度，d为流道高度，h为导热块高度，αi为导热块接触表面角度。

图1 电池模块的结构示意Fig. 1 Structure of the battery module

2 数值计算方法

2.1 电池产热和热量传递

文献[22]将锂离子电池的热效应分为两部分，一是因电池存在内阻而产生的焦耳热，二是因电池内部的电化学反应而产生的熵变。单体电池生热率的计算公式为：

(1)

式中：qb为电池的生热率；I为电池的充放电电流；Eoc和E分别为开路电压和电池电压；Tb为电池的温度。

考虑到电池的热量以及热量的积累和传递，电池的能量守恒方程表示为：

(2)

式中：ρb，cpb分别为电池的密度和比热容；λ为电池材料的导热系数；∇为拉普拉多算子。

考虑到圆柱形电池的径向导热系数与其轴向和周向导热系数不同[23]，式(2)应改写成式(3)的形式：

(3)

式中：r，φ和z分别为电池的径向，周向和轴向距离；kr,kφ和kz分别为电池材料在径向，圆周和轴向上的导热系数。

2.2 边界条件和网格独立性测试

使用Fluent 14.5 软件对高温工况下电池模组散热进行瞬态模拟，使用水-乙二醇(重量比为1∶1)的混合物作为冷却液。表1列出了数值计算中使用的材料属性。

表1 模拟中使用材料的热物性参数Table 1 Thermophysical parameters of materials used in simulation

模拟的假设和边界条件如下：计算得出的入口处的最大雷诺数不超过2 300，研究中使用层流模型，进、出口分别设为速度入口和压力出口；工质流动表面无滑移，流固界面设为耦合面，固固界面的接触热阻设为0.002 5 m2·K·W-1[18]；电池和直流扁管暴露在空气的部分视为自然对流换热，表面换热系数设为5 W·m-2·K-1[17]；连续性和能量方程收敛残差分别设为10-6和10-12。

网格的数量和质量对数值计算的结果影响很大。将单体锂离子电池简化为高65 mm，直径18 mm的圆柱体。电池模组的网格如图2(a)。使用Hypermesh软件对物理模型进行网格划分，网格类型选择结构化六面体网格，并通过对导热块和电池的网格的局部细化加密，获得六组具有不同网格数量的网格模型。计算结果如图2(b)，当网格数大于1.06×106时，模组内电池表面的最高温度Tmax变化不明显(小于0.1 ℃)。因此，选择网格数不小于1.06×106网格模型进行计算。

图2 网格独立性分析Fig. 2 Independence analysis of grid

2.3 实验验证

为了获得电池实际放热特性数据，建立了一套用于测试单体18650型锂离子电池热特性的实验系统,实验装置的示意如图3(a)。测试设备包括新威CT4008-20V6A-A电池充放电仪，Agilent 34970A数据采集器以及多个T型热电偶。在测试过程中，电池以3C倍率(6.6 A)放电，并且将三个T型热电偶置于电池正极、中部和负极附近。环境温度为25 ℃，与数值计算中的环境温度相同。取三个热电偶测量所得温度值的平均值作为实验测得的数据。图3(b)为实验数据与数值计算数据二者的比较，结果表明数值计算的温度与实验测量的温度吻合良好，即数值计算中所用的生热模型是合理的。

图3 单体电池热性能的实验验证Fig. 3 Experimental verification of thermal performance of single cell

3 液冷系统散热特性仿真分析

3.1 导热块接触角(αi)不变

笔者设计的液冷式动力电池热管理模组结构中，电池产生的热量通过导热块传递到直流扁管，实现散热目标。因此，导热块接触角(αi)对直流扁管散热结构的冷却性能有很大影响。为了研究αi对电池模组冷却性能的影响，本节计算中保持每一个导热块的αi相同，即导热块和电池间的换热面积相同，并分别设置αi值依次为：30°、45°、60°、75°、90°，同时分别设置冷却液的入口速度为0.005、0.010、0.015、0.020和0.025 m/s。监控模组内电池表面的最高温度(Tmax)和模组内电池的最大温差(ΔTmax)。

图4(a)为放电结束时，不同导热块αi和入口速度情况下Tmax的变化。结果表明，在冷却液入口速度相同情况下，随着αi增大，Tmax不断降低。这是因为传热率是由传热温度差和传热面积决定的，αi增大，传热面积增加，更多的热量通过导热块传递给冷却液，提高了换热效果，降低了模组内电池表面的最高温度。图4(a)还表明，随着αi的增大，Tmax的下降趋势在不断减小。当冷却液入口速度为0.015 m/s，αi分别为30°、45°、60°、75°、90°时，Tmax依次为36.64、34.52、33.28、32.75和32.43 ℃，下降百分比依次为5.79%、3.59%、1.59%和0.98%。这是因为在入口附近，电池与冷却液的传热温度差最大，大量的热量传递给冷却液，使得冷却液的温度升高，随着冷却液继续沿扁管流动，电池与冷却液间的温度差逐渐减小，而传热率是由传热温度差和传热面积决定的，此时尽管传热面积增大了，但传热温差降低，导致传热率降低，故Tmax的下降趋势在不断减小。对某一个αi，冷却液入口速度越大，Tmax越低。由图4(b)可以看出，ΔTmax的变化趋势与Tmax正好相反，当αi从30°依次增加到90°时，ΔTmax不断增加，但ΔTmax的增加趋势不断趋于平缓。当冷却液入口速度为0.015 m/s，αi分别为30°、45°、60°、75°、90°时，ΔTmax依次为4.20、4.83、5.33、5.87和5.94 ℃，上升百分比依次为15%、10.35%、10.13%和1.19%。这是因为在入口附近，电池与冷却液之间的温度差最大，并且αi越大，传热面积越大，故在该处的热量传递最多，电池温度明显降低。随着流体介质继续向前流动，冷却液的温度逐渐高，电池与冷却液之间的温度差减小，换热效果变弱，无法有效降低电池温度，所以随着αi增加，模组内电池的最大温差ΔTmax反而增加。

图4 3C放电结束时不同αi和v下电池温度特性Fig. 4 Temperature characteristics of the batteries at the end of 3C discharge with different αi and v

图5为冷却液入口速度为0.015 m/s时，αi分别为30°、60°和90°的模组电池的温度云图，很明显可以看到，尽管αi为30°时，模组内电池的最大温差ΔTmax是最低的，但是模组内电池表面的最高温度Tmax却是最高的，且远远高于αi为60°和90°的模组内电池表面的最高温度，即αi为30°时，电池模块是以每个电池的温度都较高的状态下来减小电池模块的温度差，这是不合理的，一个合理的液冷式动力电池热管理模组结构在降低Tmax的同时也要降低ΔTmax。因此，就需要一个可变接触面积(即导热块接触角变化)的动力电池热管理模组结构。

图5 入口速度为0.015 m/s时不同αi的模组电池温度云图Fig. 5 Temperature contours of the battery in the module with different αivalues while v is 0.015 m/s

3.2 导热块接触角(αi)可变

如3.1节所述，导热块接触角αi不变时，随着αi的增加，模组内电池表面的最高温度Tmax呈负相关，而模组内电池的最大温差ΔTmax则为正相关，这不符合热管理设计的要求。为了在降低Tmax的同时减小ΔTmax，获得更均匀的温度分布，在本节中对模组内32节单体电池进行分组。如图6，将模组内的电池平均分为4组，每组中的导热块的αi相同，在第i组中表示为αi，并采用接触角梯度Δα来实现导热块接触角可变。

图6 模组内电池分组示意Fig. 6 Schematic diagram of battery grouping in the module

由前述结论及笔者前期相关研究[21]可知，动力电池模组的最高温度和最大温差的变化规律，与动力电池和液冷板的接触面积呈非线性的逐渐增加或逐渐减小关系，即在笔者研究的接触角度范围内，不会出现波峰或波谷的情况。所以，笔者提出的梯度导热块接触角(取值范围在0～90°之间)设置将采用等差规律，具体设置了3种不同的计算工况：①e1工况。α1相同，即组1中与电池相接触的导热块的接触角α1在3个不同接触角梯度Δα下是相同的，后面3组导热块接触角：α2、α3、α4按照接触角梯度Δα依次增加；②e2工况。α4相同，即组4中与电池相接触的导热块的接触角α4在3个不同接触角梯度Δα下是相同的，前面3组导热块接触角：α1、α2、α3按照接触角梯度Δα依次增加；③e3工况。α1+α2+α3+α4相同，即保证3个不同接触角梯度Δα下，总的传热面积相同。研究了上述3种计算工况下，Δα对液冷式动力电池热管理模组结构的冷却效果的影响。表2给出了3种工况下，不同Δα下的各组接触角αi的具体数值。

表2 不同接触角梯度下的α1,α2,α3,α4Table 2 α1,α2,α3,α4 at different contact angle gradient (°)

图7(a)给出了在冷却液入口速度(v)为0.010 m/s时，模组内电池表面的最高温度Tmax随着冷却时间的变化曲线。在3C倍率放电结束时，Tmax，e1>Tmax，e3>Tmax，e2，即冷却液入口速度v相同的情况下，保持组4导热块的接触角α4相同，前面3组为导热块接触角α1、α2、α3按照Δα依次增加的工况，其Tmax是最低的。随着Δα的增加，模组内电池表面的最高温度Tmax逐渐减小，其值依次为：33.71、33.64、33.27 ℃。尽管Tmax降低了，但是Δα从5°增加到15°时，Tmax仅减小了0.44 ℃，这表明了通过增加Δα的数值来降低模组内电池表面最高温度的效果并不明显。这是因为传热率是由传热温度差和传热面积决定的，二者相互影响，较大的Δα会造成一个梯度变化较大的传热面积，而不同的传热面积则会对电池与冷却液的传热温差产生影响，所以随着Δα的增加，对减小Tmax的效果不明显。

图7(b)为放电结束时，不同工况下模组内电池的最大温差。对e1工况，随着Δα的增加，ΔTmax逐渐增加，依次为：4.06、4.54、5.49 ℃。这是因为对于整个模组电池而言，每一组的αi值都较小，也就是传热面积较小。当Δα为5°时，导热块与电池接触的面积最大仅为电池侧面积的1/8，此时，近乎于导热块接触角αi不变的工况，所以ΔTmax较小；当Δα从5°依次变为10°、15°时，ΔTmax有所增加。与e1工况不同，e2、e3工况下，随着Δα的增加ΔTmax均表现为下降趋势。当Δα为5°、10°、15°时，e2工况下ΔTmax值依次为：6.72、5.57、3.96 ℃，其降幅分别为：17.13%、28.91%；e3工况下ΔTmax值依次为：5.64、5.11、4.48 ℃，其降幅分别为：9.39%、12.33%。综合考虑Tmax和ΔTmax，e2、e3工况计算结果更符合液冷式动力电池热管理模组结构的冷却目标，并且对比两个工况，在e2工况下，模组电池表面的最高温度Tmax相对较低，并且当Δα从5°增加为15°时，ΔTmax降幅更大。所以，采用较大的Δα值可以在降低Tmax的同时减小模组内电池的最大温差ΔTmax，获得更均匀的温度分布。

图7 αi可变工况下模组电池的温度特性Fig. 7 Temperature characteristics of battery in the module while αi is variable

3.3 冷却液入口速度(v)的影响

由于冷却液的流速不仅影响了系统的散热性能和电池模组的均温性，并对系统的流阻(压降)也将产生重要影响，以此影响了热管理系统运行的泵能耗，因此需要对系统的冷却工质入口流速进行优化以找出其合适范围。本节中，将冷却液的入口速度依次设置为：0.001、0.005、0.010、0.015、0.020、0.025 m/s，研究了它们对冷却性能的影响。电池以3C速率放电。

图8给出了不同冷却液入口速度下Δα=15°时电池的温度特性。图8(a)为3C倍率放电结束时3种工况的Δα=15°在不同v情况下的Tmax变化。很明显可以发现，当v从0.001 m/s增加到0.010 m/s时，3种工况下的Tmax下降幅度都很大；但是当v超过0.010 m/s时，随着v的增加，Tmax下降幅度明显降低，趋于平缓。其原因是，当冷却液入口速度低于0.010 m/s时，随着v的增加，直流扁管内冷却液的对流传热系数增大，提高了换热效率，所以Tmax有一个较大幅度的下降；而当冷却液入口速度高于0.010 m/s时，随着v的增加，尽管冷却液的对流传热系数增大，但电池和冷却液间的传热温差却减小了，在对流换热系数增大、电池和冷却液间的传热温差减小的综合作用下，Tmax降低的幅度开始趋于平缓。

图8(b)给出了放电结束时3种工况的Δα=15°在不同入口速度(v)下的ΔTmax变化。当v从0.001 m/s增加到0.010 m/s时，ΔTmax的变化趋势与Tmax相同，都有较大幅度的降低，电池模块的温度均匀性得到了明显的改善；而当冷却液入口速度高于0.010 m/s时，随着v增加，ΔTmax逐渐升高，即入口速度的增加给电池模块的温度均匀性带来了负面影响。这是因为，Δα为15°时，尽管组1中导热块的接触角α1最小，传热面积最小，但冷却液的入口速度大，传递的热量反而增加，故电池的温度降低，冷却液温度上升，电池和冷却液之间的传热温差减小。随着冷却液继续流动，冷却液的温度继续升高，电池和冷却液之间的传热温差进一步减小，传热温度差对传热率的影响要强于传热面积的影响，组2、组3和组4的电池温度较大，模组内电池的温度均匀性无法得到有效改善，ΔTmax反而增加。

图8 不同入口速度(v)下Δα=15°时电池的温度特性Fig. 8 Temperature characteristics of the battery when Δα=15° at different inlet velocities (v)

结果说明，在冷却液的入口速度低于0.010 m/s时，随着v的增加，模组内电池的Tmax和ΔTmax可以得到明显改善。而当冷却液的入口速度高于0.010 m/s时，随着v的增加，对模组内电池的Tmax的增益效果明显减弱，对ΔTmax甚至产生负面影响。另外，较高的冷却液的入口速度需要消耗更多的能量，因此冷却液的入口速度不是越高越好。

4 结 论

笔者针对某18650型锂离子动力电池组，设计一种采用等差梯度接触角的导热块和直流扁管的液冷散热结构，并研究了αi，Δα和v对冷却性能的影响。主要结论为：

1)当所有导热块的αi保持一致时，Tmax随αi的增加而降低，而ΔTmax则相反，这是由于出口附近的电池与冷却液之间的传热温度差较小，电池温度得不到有效降低。因此单纯增加αi会对模组内电池的温度均匀性产生负面影响。

2)为进一步改善模组内电池的温度分布，提出了导热块接触角αi可变，采用接触角梯度Δα的3种计算工况。结果表明e2、e3工况下，可变的传热面积可以有效地提高冷却性能，且Δα越大，对模组内电池的温度均匀性影响越好。特别在e2工况下，ΔTmax从6.72 ℃降低到3.96 ℃。

3)增加冷却液的入口速度确实对电池冷却有积极影响，当入口速度低于0.010 m/s时，增加入口速度可以有效降低Tmax和ΔTmax；而当入口速度大于0.010 m/s时，对电池模块的Tmax的增益效果明显减弱，对ΔTmax甚至产生负面影响。