蛇形通道液冷电池热管理系统散热仿真与优化

胡顺涛，吕心力，李一飞

(1.青海民族大学土木与交通工程学院，青海西宁 810007；2.天津大学天津大学地热研究培训中心，天津 300350)

全球为降低化石燃料的消耗和减少二氧化碳排放，研发了替代内燃机汽车的电动汽车和混合动力汽车[1]。而电动汽车和混合动力汽车的性能受到动力电池组性能显著影响[2]。但动力电池的性能受温度影响较大，锂电池须保持在25～40 ℃，并且在电池热管理系统(BTMS)的帮助下，电池组内温差必须控制在5 ℃以内，以保证电池具有良好的工作性能[3]。因此，为有效改善锂离子电池散热效果差的问题，研究设计高效的BTMS 变得至关重要。

典型的BTMS 包括液冷、空气冷却和相变材料(PCM)冷却[4]。液冷是一种常见的冷却方式，它可以通过导热系数较高的冷却水流带走电池热量，从而达到更好的散热效果[5-6]。目前，相关学者已经对液冷BTMS 开展了大量研究。基于微通道冷却平板的BTMS 因可以显著降低电池温度并保持其良好的温度同质性，而得到广泛关注。Huo 等[7]设计了一种基于微通道冷板的液体冷却BTMS，研究了通道数量、冷却水流方向和环境温度对电池温度均匀性的影响。Lan 等[8]研究了在不同放电速率下新型微通道数量对电池热性能的影响，结果表明，随着通道数量增加，电池温度会降低。Senn 等[9]设计了一种“tree-like”微通道冷板BTMS，重点研究了分岔水平对电池温度均匀性及系统压降的影响，并明确具有六个分支级别的树网产生的压降几乎是具有相同表面积和入口雷诺数的相应蛇形通道的一半。Dong 等[10]分析了微通道长度、宽度和高度对冷板冷却性能的影响。Rao 等[11]提出了一种楔型微通道BTMS，重点研究了出口纵横比及分支结构对冷板散热性能的影响，结果表明，楔形通道提供了良好的冷却效率和电池表面温度均匀性。Jarrett 等[12]对提出的新型蛇形通道冷板的BTMS 进行了数值研究与优化，研究确定了最优流动路径、通道宽度和通道长度。Deng 等[13]研究了U 形管状冷却通道的数量、整体通道布置和冷却水入口温度对BTMS 散热能力的影响。结果表明，五个通道在保证电池安全性和可靠性的同时具有最佳的冷却效果，并且冷板的冷却性能会随着入口温度的升高而降低。Ye 等[14]根据电池间隙间距、截面积、冷却液通道数等结构参数，设计并优化了通道式冷板液冷系统。结果表明，优化后电池组的温差和冷却液通道的压降分别降低了9.5%和16.88%。Wang 等[15]提出了一种新式蛇形通道冷板，并使用多目标遗传算法对通道结构参数进行了多目标优化，在实现降低电池组最大温度的基础上，提高电池组温度分布一致性。

上述研究主要集中在冷却系统结构参数优化上，对操作参数的优化研究较少。本文则是在文献[15]工作基础上，针对10 个蛇形通道入口流速相等所导致的电池组温度分布一致性差问题，提出了全新的蛇形通道分组变流速优化方案，并采用数值模拟方法对该方案不同操作参数下电池组散热性能及冷板厚度对电池组温度分布的影响进行了仿真分析与优化，以实现最小的电池最大温度及更佳电池温度一致性，为后续BTMS 设计研究提供理论指导。

1 问题描述

1.1 几何模型

本文以可充电锂离子聚合物电池(LIB)TLP80A5E6-50AH 所构成电池模组为理论模型开展研究，电池尺寸为356 mm×105 mm×8 mm，额定容量为50 Ah，额定电压为3.7 V，内阻R≤1 mΩ。电池组由9 个单体电池组成，与冷板交替布置并形成“三明治”结构，冷板尺寸与LIB 尺寸相同，其结构如图1所示。图1(a)中微通道由过通道中心的中心轴线表示。b、c、a、l、e为蛇形通道结构参数，流速u为该系统操作参数水流速度，参数取值如表1 所示。

图1 蛇形液冷BTMS平面图

表1 BTMS结构参数初始值[15]

1.2 电池热模型

正确的电池产热模型是保证CFD 模拟精度的关键。本文基于直角坐标系建立三维电池产热模型，并将电池单体视为均质的体积热源，控制方程如式(1)所示：

式中：ρe为电池的平均密度；cp,e为电池比热容；T为电池温度；t为放电时间，s；λx、λy、λz为电池在x、y、z方向的导热系数；q为固定放电速率下电池的体积产热率，W·m－3。

在实际工程应用中，电池的产热通常通过理论计算或实验测定的方式确定。本文研究对象产热主要来源于电池放电过程中电池核的产热，其产热量可通过理论方程(2)计算得到：

式中：I为电池放电电流，A；V为电池体积，m3；Uocv为开路电压；U为电池电位；∂Uocv/∂T为熵热系数，取0.5 mV/K。经计算，其在0.8C放电速率下的产热率为23 045 W/m3[15]。

蛇形通道冷板材料与冷却介质分别为铝和水，以此作为理论模型开展研究，各材料热物性参数见表2。

表2 热物性参数[15]

2 基于微通道液体冷却的数值模型

2.1 数值模型

为简化模拟分析，假设冷板是均匀各向同性，忽略各冷板连接处支撑连接结构，冷却介质不可压缩。通道内流体的控制方程如下所示：

1)连续性方程

2)动量方程

3)能量方程

式中：ρh为水的密度；u→为水流速度矢量；Th为水的温度；p为压力，Pa；μ为动力粘度系数；cp,h为水的比热容；λh为水的导热系数。

通道冷板的能量控制方程如下所示：

式中：ρAl为冷板密度；cp,Al为冷板比热容；TAl为冷板温度；λAl为冷板导热系数。

电池-冷板接触面面积加权温度定义如式(7)所示：

式中：A为网格面面积，m2；i为电池与冷板接触面序号，1、2…18。

2.2 边界条件

本文研究理论模型中，设定电池模组、冷板、冷却水和环境初始温度为298.15 K。10个蛇形通道出入口交替布置，如图1(b)所示。流体入口为速度入口条件，初始值u=0.271 3 m/s，流体出口设置为压力出口，出口压力为0 Pa。设置BTMS 与空气接触部分为对流换热边界条件，传热系数为5 W/(m2·K)。冷却水与冷板、冷板和电池接触面为耦合接触传热面，采用无滑移壁面条件；并且由于冷板与电池间存在夹紧支架，接触面间紧密接触，故忽略接触热阻。经计算，该结构下冷却水雷诺数小于2 300，因此，采用层流模型。设定时间步长为1 s，放电时间为1 600 s，以保证温度收敛。基于上述条件，以ANSYS 18.0 为仿真平台，采用SIMPLE 算法求解CFD 模型中的质量、动量和能量方程。

2.3 CFD 模型验证

正确的数值模型是可靠计算结果的保证。本文采用与文献[15]相同通道结构参数与流体速度参数，具体如表1 所示，边界条件与初始条件均采用相同设置。根据前文所述数值模型及参数作为初始工况，对BTMS 散热性能进行了仿真计算，电池组最高温度变化与文献相比，如图2 所示。

图2 电池组最大温度随时间变化

由图2 可知，本文计算结果与文献[15]基本吻合，温度最大值为308.78 K，较文献最大温度升高0.3 K，可以利用上述模型作进一步的仿真分析与优化。温度升高或为忽略电池与冷板间的连接支架所致。

3 结果与讨论

3.1 操作参数分组优化方案

除蛇形通道结构参数外，操作参数是影响BTMS 散热性能的关键因素。合理的操作参数优化方案会在较大程度上实现电池组最小的最大温度和平均温差。本文将电池与冷板接触面的面积加权温度作为衡量电池组温度一致性的技术指标，初始工况下其结果如图3 中n=1.0 曲线所示。

图3 电池-冷板接触面温度随组M3通道流速比变化

由图3 可知，初始工况下，电池-冷板各接触面平均温度大致呈对称分布，#1 面与#18 面平均温度大致相同，且温度最低，为302.05 K。由#1 面到#5 面平均温度升高且变化幅度大，是造成电池组温度一致性差的主要原因。#6～#9 面温度变化相对稳定，仅在0.01 K 温度区间内变化。对称侧各接触面平均温度按相同趋势变化。针对上述情况，为提高电池组温度分布一致性，提出了如下通道分组优化方案作为理论模型开展研究：通道1 与10 划分为组M1，通道2～3、8～9 划分为组M2，通道4～7 划分为组M3，通过改变各组通道内流速比，达到#1～#18 接触面温度分布更加均匀的目的。

3.2 水流速度对BTMS 散热性能的影响

为计算方便，将水流速度u=0.271 3 m/s 作为基准速度，通道入口流速以流速比n表示，为实际水流速度占基准速度的倍数。首先，改变组M3通道入口水流速度，由图3 可知，模组中间位置电池温度高于模组两端电池温度，同时考虑一味增加流速会导致较大泵功功耗，故流速比取1≤n≤2。

由图3 可知，随着组M3通道中水流速度增加，#6～#13 接触面温度明显降低，其平均温度由304.50 K 降低到303.45 K，降幅达到1.05 K。这是因为流速的增加会使液体与通道接触面处对流换热系数h增加，进而对流换热量增加，被冷却水带走热量增多，接触面温度降低。#1 与#18 接触面温度基本不变，其余接触面温度出现小幅度降低。这是因为电池组中间部分电池温度降低后，由于与毗邻电池温差的增大，会导致传热量增加，毗邻电池温度小幅度降低。而#1 与#18 接触面距电池组中间位置电池较远，受影响小，温度基本保持不变。同时，随着流速比增加，电池-冷板接触面间的温度降低幅度不断减小，而泵功仍以较大幅度增加，权衡考虑技术经济性，流速比取值n≤2 是合理的。

在组M3通道入口变流速优化研究中，电池组温度随流速变化如图4 所示。由图4 可知，随着入口流速比的增加，电池组最高温度及最大温差均不断减小，BTMS 散热性能得到提高。这主要是因为电池组中间部分电池温度高，组M3通道内流速增加后，对流换热量增加，冷板温度降低，进而电池被冷却，而与此部分相毗邻电池散热亦得到改善。

考虑电池模块最大温度最小原则，选择n=2.0 作为组M3通道最佳入口水流流速比。

在组M3通道入口参数确定后，进一步对组M2通道入口流速比进行仿真分析。电池组温度均匀性如图5 所示。

图5 电池-冷板接触面温度随组M2通道流速比变化

由图5 可知，随着组M2通道水流速度的提高，#6～#13 接触面平均温度变化幅度很小。这是因为组M1通道入口参数保持不变，其温度主要受毗邻接触面温度降低的影响。由于组M2通道水流速度提高，导致对流换热量增加，#2～#5 接触面平均温度不断降低，且降幅明显，对称侧呈相同变化趋势。当n=1.8 时，#4、#5、#14、#15 接触面与#6～#13 接触面平均温度趋于一致，如图6 所示，电池组温度一致性明显提高。若n值继续增大至2.0，接触面#2～#5 与#14～#17 的温度进一步降低，由于接触面#6～#13 温度趋于稳定，造成接触面#2～#5、#14～#17 与接触面#6～#13 之间温差进一步增大，温度一致性开始降低。与此同时，由于组M2通道冷板与电池接触面平均温度降低，与之相毗邻的#1 和#18 平均温度也随之降低，但降幅较小。电池组最大温度也由35.1 ℃降低到34.4 ℃，且由于电池极耳仅与环境发生自然对流而出现局部热点。综上所述，组B 通道流速比n=1.8 时，可作为推荐流速，以实现电池模块较高温度均匀性。

图6 电池组温度随组M2通道入口流速比变化

基于上述研究，继续对组M1通道内水流速度进行仿真优化，其温度均匀性随组M1通道水流速度的变化如图7 所示。

图7 电池组温度随组M1通道入口流速比变化

由图7 可以看出，随着组M1通道内水流速度减小，温度升高主要发生在#1～#3 接触面，对称侧呈相同趋势变化。这是因为通道1 与通道10 内水流速度减小后，对流换热量减少，被水带走热量随之减少，造成#1 与#18 接触面温度升高。温度升高进一步恶化毗邻电池间散热，使毗邻接触面#2、#3、#16、#17 温度升高，但升高幅度较小。由于#4～#15 接触面温度基本恒定不变，当n≥0.4 时，随着n值减小，#1～#3 接触面温度的升高使得电池组温度一致性得到提高；而当n≤0.2 时，随着n值减小，#1～#3 接触面温度大幅升高，导致模组内电池间温差增大，温度一致性降低；且当通道内无流体流动，即n=0时，#1 与#18 接触面温度骤升，传热恶化。较入口参数优化前，当n=0.4 时，电池组内单体电池最大温差由2.47 K 降低到0.24 K，整个电池模块散热性能明显提高。因此，考虑n=0.4作为电池组中组M1通道的推荐流速。

图8 为操作参数分组优化后，电池组温度分布云图。由图7～8 可知，对通道分组变流量优化后电池模块的温度均匀性，较优化之前有了显著提高。电池组最大温度也由优化前308.78 K 降低到307.86 K，BTMS 散热性能得到有效改善。

图8 电池组温度分布

图9 为优化前后各通道入口-出口压力损失。流量改变将直接影响通道出入口的压力损失，进而影响泵功。由图9可以看出，优化前，由于通道入口流速统一为恒定值，各通道入口-出口压力损失基本保持为统一恒定值。优化后由于组M2、组M3通道流速增加，流量增大，压力损失也进一步增大，而组M1通道流速降低，流量减小，压力损失较优化前降低。但优化后各通道入口-出口总压力损失较之优化前增加80.1%，导致泵耗功大幅度增大。因此，电池组温度一致性性能的提高，是以较高的泵功为代价。

图9 通道入口-出口压力损失

3.3 冷板厚度对BTMS 散热性能的影响

电池产生热量经导热传递至冷板后，以两种方式被移除：一是冷板表面与环境间的自然对流，二是被通道内冷却水带走。因此，本文针对蛇形通道冷板厚度对BTMS 散热性能的影响进行了仿真分析，其温度均匀性如图10 所示。

图10 电池组温度随冷板厚度变化

由图10 可知，随着通道冷板厚度的增加，温度分布呈现相似的变化趋势，各接触面平均温度出现极小幅度的降低。这主要是因为在单位时间内经导热传至冷板相同热量的前提下，通道冷板厚度增加，使冷板质量增大，cp,Al不变，导致温差减小，各接触面温度出现小幅度降低，平均降幅控制在0.05 K 以内。权衡通道厚度增加带来的体积增大与成本升高，d=4 mm 作为冷板推荐厚度。与分组变流速优化结果对比发现，通道冷板厚度改变对电池热管理系统散热性能影响的贡献相比于入口流速分组优化对其的贡献要小。考虑冷板厚度增加造成BTMS 体积增大，受空间限制，因此在优化BTMS 散热性能时，应优先考虑对通道操作参数(入口流速)的优化设计。

4 结论

本文从电池组最高温度最小及温度一致性最佳的角度出发，提出了全新的蛇形液冷通道分组变流量优化方案，并对冷板厚度进行了仿真优化，为研究电池热管理系统的散热性能提供指导。结论如下：

(1)对蛇形通道进行分组变流量优化设计，可灵活改变电池组温度分布。

(2)针对等流速设计所造成电池组中间温度高、两侧温度低问题，从电池组两端向中间进行组M1、组M2、组M3通道的分组设计及入口流速依次增加的变流速设计可以较好减小温度梯度，改善电池组的温度一致性，但是以较高泵功为代价。

(3)通道冷板厚度增加可提高电池组散热性能，但对电池热管理系统散热性能影响的贡献相比于入口流速分组优化对其的贡献要小。因此在BTMS 占用空间有限时，应优先考虑对通道操作参数(入口流速)的优化设计，以提高其散热性能。