车用锂离子电池组液冷散热系统设计与优化

刘岩，肖纯*，沈国鑫，李锦，张少睿

车用锂离子电池组液冷散热系统设计与优化

刘岩1,2，肖纯1,2*，沈国鑫1，李锦1，张少睿1

（1.武汉理工大学 自动化学院，武汉 430070；2.国家能源氢能及氨氢融合新能源技术重点实验室（佛山仙湖实验室），广东 佛山 528200）

解决传统热管理系统中锂离子电池组在充放电过程中温度过高、温差过大等问题。以液冷方式为主要手段，在传统蛇形冷却通道的基础上设计1种单流入单流出的微通道结构和2种双流入单流出的微通道结构，并采用新型高导热材料石墨烯薄膜作为散热辅助材料。基于有限元仿真软件从电池组的最高温度、温差、温升和流体压力4个角度进行比较分析。优化后电池组的最高温度由36.4 ℃降至36 ℃，温差由8.7 ℃降至3.9 ℃，电池组的散热能力及温度一致性得到提高。双流入单流出结构优于单流入单流出结构，其中双波纹蛇形为最佳的液冷微通道结构，石墨烯薄膜的采用可进一步提高电池组的温度一致性。

锂离子电池组；液冷式；双波纹蛇形；石墨烯薄膜

锂离子电池凭借其开路电压高、能量密度大、自放电率低等优势，已成为电动汽车中最有前途的储能器件[1]。锂离子电池的寿命和性能受到工作温度和温差的影响较大，高温会降低电池的能量转换效率，并加速电池组的老化。若超过安全温度上限（80 ℃）可能导致电池组发生故障，甚至损坏[2-3]，因此对电池组的散热系统进行设计与优化具有重要意义。若可将电池组的工作温度控制在20～40 ℃，温差低于5 ℃，则此时电池组具有最佳性能[4-5]。

根据冷却介质的不同，电池组的散热可分为风冷、液冷和相变材料冷却等类型[6]。风冷以空气为换热介质，可分为被动风冷和主动风冷，通过热对流带走电池组的热量，但此方式存在空气热容量低、散热效果差等劣势。相变材料冷却是利用相变材料的相变潜热吸收热量的被动式冷却方式，具有散热速度快、温控效果好等优势，但相变材料的导热性和稳定性较差。由此可见，风冷和相变材料冷却均不适合单独应用于对安全性有较高要求的汽车中[7-8]。液冷克服了风冷和相变材料冷却的劣势，对于高生热速率的电池组，它具有温控效果好、换热系数高等优势[9-10]。有学者对液冷散热系统进行了研究，设计了U形、平行螺旋蛇形、仿生蛛网形等液冷通道，将电池组的工作温度控制在合理范围内，但缺乏对温差影响的关注[11-13]。

受到电池组的组合结构、使用工况及环境等因素的影响，电池成组后，其内部温度分布不均匀、温差过大等现象时有发生。若电池组温度一致性较差，且不能得到及时有效缓解，则易造成单体电池之间不均匀的衰减，甚至造成电池组的损坏[14]。有研究表明，石墨烯薄膜是一种面内导热率高、散热快速且均匀、化学性质稳定的二维碳纳米材料。若将石墨烯薄膜应用于电池组，则能够迅速地将电池组表面的热量进行水平方向上的传导，在提高散热性能的同时，高效地解决了电池组内局部过热和温差过大等问题[15-16]。

文中采用液冷方法，设计了3种冷却通道结构，并采用石墨烯薄膜作为散热辅助材料，从电池组的最高温度、温差、温升和流体压力等4个角度进行比较分析，旨在将电池组的温度和温差控制在合理范围内，保障电池组的性能。

1 液冷式锂离子电池组建模

1.1 液冷通道设计

液冷式锂离子电池组的散热效果主要取决于冷却翅片内的冷却通道。传统蛇形冷却通道是一种常见的液冷结构，冷却液从冷却翅片入口流入，吸收电池组产生的热量，然后从出口流出。为了提高电池组的散热效果及低温适用性，选用具有低冰点和高比热容的乙二醇水溶液（体积分数为50%）作为冷却液，并在传统蛇形冷却通道的基础上，设计了3种不同的液冷结构，包括单流入单流出（波纹蛇形）、双流入单流出（双弓蛇形、双波纹蛇形），如图1所示。

1.2 锂离子电池组物理模型

为了简化运算，这里仅考虑了由6块192 g、4.2 V的棱柱电池和3个冷却翅片组成的电池组。其中，棱柱电池和冷却翅片的尺寸分别为200 mm×4 mm× 120 mm和200 mm×2 mm×120 mm，液冷微型通道出入口为1 mm×1 mm的正方形。构建的三维物理模型中，单流入单流出和双流入单流出的电池组尺寸分别为226 mm×30 mm×120 mm和226 mm×30 mm×140 mm，如图2所示。

图1 锂离子电池组液冷微通道设计

图2 锂离子电池组物理模型

1.3 锂离子电池组数学模型

1.3.1 电池产热机理

锂离子电池产生的热量主要包括反应热、焦耳热和极化热[17]。在充放电过程中产生的总热量可由式（1）得出。

式中：r、j、p分别为反应热、焦耳热、极化热，J；为电池充放电电流，充电时为正，放电时为负，A；为电池温度，K；为电池电动势，V；j、p分别为欧姆内阻、极化内阻，Ω。

假设电池内部热源均匀且稳定，根据Bernardi等建立的电池生热速率模型[18-19]，生热速率可由式（2）得出。

1.3.2 棱柱电池物性参数

棱柱电池电芯的密度采用平均密度，可由式（3）计算得出。

式中：c、p、n、s分别为电池、电池正极、电池负极、电池外包装的质量，kg；c、p、n、s分别为电池、电池正极、电池负极、电池外壳的体积，m3。经计算得到棱柱电池电芯的平均密度为2 055.2 kg/m3。

棱柱电池的比热容可由式（4）计算得出。

式中：ρ为各层材料的密度，kg/m3；c为各层材料的平均比热容，J/(kg·K)；V为各层材料的体积，m3。经计算得到棱柱电池的比热容为1 399.1 J/(kg·K)。

棱柱电池的导热系数具有各向异性特征，即不同方向的导热系数不同[20]。沿宽度和高度方向，各层电池之间是并联传热。沿深度方向，各层电池之间是串联传热。不同方向的导热系数可由式（5）～（6）计算得出。

式中：λ、λ、λ分别表示电池沿宽度、深度、高度方向的等效导热系数，W/(m·K)；l为单电池不同层的厚度，m；λ为各层材料的导热系数，W/(m·K)。经计算得到λ、λ为29.55 W/(m·K)，λ为0.9 W/(m·K)。

1.3.3 热边界条件建立

式中：为对流换热系数，设定电池组与外界空气的对流换热系数为5 W/(m2·K)；a为环境温度，设定a为298.15 K。

棱柱电池在工作时产生的热量由电池内部传导至表面，且电池、冷却液与冷却翅片之间分别存在导热和对流换热[21]。冷却液的质量、动量和能量守恒方程见式（8）～（10）。

式中：l为冷却液的密度，kg/m3；l为冷却液的比热容，J/(kg·K)；l为冷却液的温度，K；为冷却液的速度，m/s；l为冷却液的导热系数，W/(m·K)。

设定电池组和冷却液的初始温度为298.15 K，微型通道出口为自由出流边界条件，并设定4种液冷通道方案，冷却翅片入口总流量均为0.2 cm3/s。雷诺数的计算见式（11）[22]。

1.4 网格化模型

基于有限元仿真软件，对所建立的锂离子电池组物理模型添加固体和流体传热、层流物理场。在仿真前进行网格化处理，采用自由四面体网格进行分割构建，在非线性求解器中进行3次迭代后，4种液冷通道方案的误差均低于10−3，即网格化构建合理，如图3所示。

2 液冷式锂离子电池组仿真及优化

2.1 锂离子电池组仿真分析

在对锂离子电池组进行仿真时做了如下4个假设：棱柱电池的热容量和工作性能不变；忽略棱柱电池内部的对流和热辐射；不考虑电池组的热变形；冷却液为不可压缩流体。

电池组在298.15 K的环境温度下以5C的倍率持续放电1 min后，在传统蛇形、波纹蛇形、双弓蛇形、双波纹蛇形4种方案下，电池组的最高温度分别为36.4、36.2、36.1、36.1 ℃，冷却翅片表面的最大温升分别为11.2、11.0、10.9、10.9 K。在不同方案下，电池组的最高温度和冷却翅片表面最大温升均集中在冷却液出口附近，温度分布如图4所示，温升分布如图5所示。结果表明，双流入单流出结构的温控效果优于单流入单流出结构，且具有较高的温度一致性。

图3 网格独立性检验结果

图4 温度分布

在4种方案下，微通道内冷却液的最大压力均集中在冷却液入口处，分别为2 255、1 679、737、494.8 Pa。随着冷却液进入冷却通道，压力逐渐降低。在保证冷却翅片入口总流量不变的情况下，由单流入单流出结构优化为双流入单流出结构后，冷却翅片单侧入口流量将由0.2 cm3/s降至0.1 cm3/s，可显著降低微通道内的压力，减小冷却液泄漏的风险，液冷结构的可靠性得到提高。微通道内冷却液的压力分布如图6所示。

图5 冷却翅片表面温升分布

图6 冷却液压力分布

4种冷却通道方案的仿真结果如表1所示。结果表明，双流入单流出系统比单流入单流出系统更有利于降低电池组的最高温度、温差、温升、流体压力，分别平均降低了0.2 ℃、2.9 ℃、0.2 K、1 351.1 Pa，即双流入单流出系统的热管理和冷却液压控性能更好。另外，双波纹蛇形方案在冷却效果、温差控制、翅片温升控制及流体压力控制等方面优势明显，采用该方案电池组的最高温度、温差、温升、流体压力分别为36.1 ℃、4.6 ℃、10.9 K、494.8 Pa，相较于传统蛇形方案，分别降低了0.3 ℃、4.1 ℃、0.3 K、1 760.2 Pa。双弓蛇形方案次之，波纹蛇形方案较差，传统蛇形方案最差。双波纹蛇形液冷通道的分布更加分散，冷却液在通过冷却翅片的过程中能够吸收更多区域的热量，故能够有效避免电池组热量的集中，降低电池组的温差。

2.2 高导热材料石墨烯薄膜的应用

为了进一步降低电池组的温差，提高电池组的温度一致性，这里选用密度（2 000 kg/m3）、恒压热容（850 J/(kg·K)）相同，厚度（50～300 μm）不同的石墨烯薄膜，其横向、纵向导热系数如表2所示。将石墨烯薄膜添加至棱柱电池两面，如图7所示。

由表2可知，石墨烯薄膜厚度将直接影响其横向导热系数。这里通过仿真运算，记录了应用不同类型的石墨烯薄膜后电池组的温差变化情况，石墨烯薄膜厚度与电池组温差的关系如图8所示。

表1 4种冷却通道方案的仿真结果

Tab.1 Simulation results of four cooling channel schemes

表2 石墨烯薄膜的相关参数

Tab.2 Related parameters of graphene film

图7 石墨烯薄膜放置方式及散热原理

图8 石墨烯薄膜厚度与电池组温差的关系曲线

结果表明，石墨烯薄膜厚度越薄，电池组的温差越小，即温度一致性越好。其中，50 μm的石墨烯薄膜能够最有效地降低电池组的温差。4种冷却通道方案在加置了50 μm的石墨烯薄膜后，电池组温差分别降低了0.8、0.8、0.7、0.7 ℃。

2.3 优化前后效果对比

以50 μm石墨烯薄膜为例，加置石墨烯薄膜前后电池组最高温度与放电倍率之间的关系如表3所示，电池组温差与放电倍率之间的关系如图9所示。

结果表明，在不同放电倍率下，石墨烯薄膜的加置对降低电池组最高温度的作用较小，但对降低电池组的温差较为明显。石墨烯薄膜具有高面内导热率的特点，可将热量向周围传递，使得电池组受热更加均匀，降低了电池组的最高温度和温差，提高了电池组的温度一致性和抗热冲击能力。其中，电池组的放电倍率越高，石墨烯薄膜的作用越明显。以采用双波纹蛇形方案的电池组为例，当电池放电倍率为5C时，加置50 μm的石墨烯薄膜后，电池组的最高温度和温差分别降低了0.1 ℃和1.4 ℃。

表3 石墨烯薄膜加置前后电池组的最高温度

Tab.3 Maximum temperature of the battery pack before and after graphene film placement

图9 电池组温差与放电倍率的关系曲线

3 结语

针对车用锂离子电池组热管理系统进行了优化设计和仿真研究，主要结论如下。

1）在传统蛇形冷却通道的基础上，设计了3种液冷结构：单流入单流出（波纹蛇形）、双流入单流出（双弓蛇形、双波纹蛇形），并从电池组的最高温度、温差、温升和流体压力4个角度进行了比较分析，确定双波纹蛇形为最佳冷却通道。

2）在棱柱电池两面添加高导热材料石墨烯薄膜，并探究了薄膜厚度对电池组最高温度和温差的影响。结果表明，石墨烯薄膜可将热量向周围传递，使得电池组受热更加均匀，降低了电池组的最高温度和温差，提高了电池组的温度一致性和抗热冲击能力。

3）与传统蛇形方案相比，采用双波纹蛇形方案且加置50 μm石墨烯薄膜后的电池组，其最高温度由36.4 ℃降至36 ℃，温差由8.7 ℃降至3.9 ℃，温升由11.2 ℃降至10.9 ℃，流体最大压力由2 255 Pa降至494.8 Pa。电池组散热能力及温度一致性得到提升。文中研究为解决实际锂离子电池整体温度过高、温差过大等问题提供了新的方法和思路。

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Design and Optimization of Liquid Cooling System for Lithium-ion Battery Packs in Vehicles

LIU Yan1,2,XIAO Chun1,2*,SHEN Guoxin1,LI Jin1,ZHANG Shaorui1

(1. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2.National Energy Key Laboratory for New Hydrogen-ammonia Energy Technologies (Foshan Xianhu Laboratory), Guangdong Foshan 528200, China)

The work aims to solve the problems of high temperature and large temperature difference of lithium-ion battery pack in the traditional thermal management system during the charging and discharging process. The liquid cooling method was taken as the main means to design a single-inflow and single-outflow microchannel structure and two double-inflow and single-outflow microchannel structures on the basis of the traditional serpentine cooling channel, and a new type of high-thermal-conducting material, graphene film, was adopted as the auxiliary heat dissipation material. Based on the finite element simulation software, a comparative analysis was carried out from four perspectives: maximum temperature, temperature difference, temperature rise and fluid pressure of the battery pack. The maximum temperature of the optimized battery pack was reduced from 36.4 ℃ to 36 ℃, and the temperature difference was reduced from 8.7 ℃ to 3.9 ℃, which improved the heat dissipation capability and temperature consistency of the battery pack. The double-inflow and single-outflow structure is better than the single inflow-single outflow structure, in which the double corrugated serpentine is the optimal liquid-cooling microchannel structure, and the adoption of graphene film can further improve the temperature consistency of the battery pack.

lithium-ion battery pack; liquid cooling; double corrugated serpentine; graphene film

TM 911

A

1001-3563(2024)01-0307-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.036

2023-06-16

先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心（佛山仙湖实验室）开放基金（XHD2020-003）