锂电池模组液冷复合散热结构设计及性能分析_刘霏霏.pdf

第 卷第 期重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）：锂电池模组液冷复合散热结构设计及性能分析刘霏霏，淦述龙，郝三强，秦 武，李 骏（华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌，；建新赵氏科技有限公司，浙江 宁海）摘要:针对动力电池高温下导致的寿命降低及热安全等问题,以某方形锂电池为研究对象,在电池单体模型验证的基础上,设计了S型和回型两种电池模组液冷散热结构,同时在模组内单体之间夹隔导热垫片,形成液冷-导热垫复合散热。模拟了基于复合散热的电池模组温升特性,对比分析在2C倍率放电时液体温度、速度和压强对电池模组散热性能的影响。结果表明:在相同放电倍率下,相比于S型,回型液冷通道内进出口液体温差可增加2 3.5%,通道内流速变化不超过0.1m/s。由于回型通道转弯少、沿程压力损失小,进出口液体最大压差可减少34 6 8P a;3种影响因素作用下,回型相较于S型液冷散热,可使电池模组最大温差降低1 3.2%。关 键 词:车辆工程;锂离子电池;热管理;液冷;优化设计;性能分析中图分类号:U 4 6 9.7 2文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-0 6 9 6(2 0 2 3)0 1-1 3 7-0 8D e s i g na n dP e r f o r m a n c eA n a l y s i so fL i q u i d-C o o l e dC o m p o s i t eC o o l i n gS t r u c t u r eo fL i t h i u mB a t t e r yM o d u l eL I UF e i f e i1,GANS h u l o n g1,HAOS a n q i a n g2,Q I N Wu1,2,L I J u n1(1.S c h o o l o fM e c h a t r o n i c s&V e h i c l eE n g i n e e r i n g,E a s tC h i n aJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,N a n c h a n g3 3 0 0 1 3,J i a n g x i,C h i n a;2.J i a n x i nZ h a o sT e c h n o l o g yC o.,L t d.,N i n g h a i 3 1 5 6 0 0,Z h e j i a n g,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga tt h ep r o b l e m so fb a t t e r yl i f er e d u c t i o na n dt h e r m a ls a f e t yc a u s e db yt h eh i g ht e m p e r a t u r eo fp o w e rb a t t e r y,as q u a r el i t h i u m-i o nb a t t e r yw a st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t.B a s e do nt h em o d e lv e r i f i c a t i o no fb a t t e r yc e l l,t w ol i q u i d-c o o l i n gs t r u c t u r e so fb a t t e r y m o d u l e,i.e.S-t y p ea n dl o o p-t y p ew e r ed e s i g n e d.A n dt h et h e r m a lp a d sw e r es a n d w i c h e db e t w e e nc e l l si nt h eb a t t e r y m o d u l et of o r ml i q u i dc o o l i n g-t h e r m a lp a dc o m b i n e dc o o l i n g.T h et e m p e r a t u r er i s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a t t e r ym o d u l eb a s e do nt h ec o m b i n e dc o o l i n gw e r es i m u l a t e d.A n dt h ee f f e c t so fl i q u i dt e m p e r a t u r e,v e l o c i t ya n dp r e s s u r eo nt h eh e a td i s s i p a t i o np e r f o r m a n c eo ft h eb a t t e r ym o d u l ea t 2 Cr a t ed i s c h a r g ew e r e a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t,a t t h e s a m ed i s c h a r g e r a t e,t h e l i q u i d t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e i n l e t a n dt h eo u t l e tw i t ht h e l o o p-t y p ec a nb e i n c r e a s e db y2 3.5%c o m p a r e dw i t ht h eS-t y p e,a n dt h ec h a n g eo f t h e f l o wr a t e i nt h ec h a n n e ld o e sn o te x c e e d0.1 m/s.D u et ot h e l e s st u r n i n ga n dm i n o rp r e s s u r el o s sa l o n gt h ew a y i nt h e l o o p-t y p ec h a n n e l,t h em a x i m u ml i q u i dp r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e i n l e t a n dt h eo u t l e tc a nb er e d u c e db y3 4 6 8 P a.U n d e rt h e i n f l u e n c eo f t h ea b o v et h r e ef a c t o r s,t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h eb a t t e r ym o d u l ew i t ht h e l o o p-t y p ec a nb er e d u c e db y1 3.2%c o m p a r e dw i t ht h eS-t y p e l i q u i dc o o l i n g.K e yw o r d s:v e h i c l ee n g i n e e r i n g;l i t h i u m-i o nb a t t e r y;t h e r m a lm a n a g e m e n t;l i q u i dc o o l i n g;o p t i m i z a t i o nd e s i g n;p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 引 言随着国家节能减排政策的实施，纯电动汽车因环保节能而得以迅速发展。然而，当前纯电动汽车面临的最大难题之一则为动力电池安全问题。锂离子电池由于充 放电快、能量密度高等优点，已成为动力电池的首选。但锂离子电池的最佳工作温度为 且温差不超过 。如果散热不及时，严重时将引发热失控等安全事故。因此，对动力电池进行有效热管理意义重大。当前电池热管理散热方式主要有空冷、液冷、相变材料（，）冷 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；江西省自然科学基金项目（）第一作者：刘霏霏（），女，博士，副教授，主要从事电动汽车热管理及环境适应性方面的研究。：却和热管冷却等。其中，液冷由于导热系数大，传热效率高，被广泛运用于实际工程中，如特斯拉 系列、比亚迪汉。等研究了液冷微通道平板散热，增大液冷板接触面积和梯度角度、液体介质速度，冷却效果和均温性均得到有效改善；等分析了蛇形和 型冷却管道用于电池液冷散热，提出了一种蛇纹优化设计方法，优化方案比原方案温度下降了；安治国等研究泡沫铝与液冷复合散热，并分析泡沫孔隙率大小、流道流速及间距对电池模组温度和温差的影响，得出增加流道流速和泡沫铝孔隙率可有效降低电池模组温度。笔者基于锂离子电池的生传热机理，通过电池内阻实验测得电池内阻，在精确获得热物性参数及边界条件的基础上建立了电池热仿真模型。在单体模型验证的基础上，应用有限元软件，模拟仿真电池模组在不同放电倍率下的温升。根据温度场分布的不一致性设计了两种电池模组液冷散热结构，即 型和回型液冷散热通道，同时在模组内单体之间夹隔导热垫片，形成液冷导热垫复合散热。对比分析电池模组在 放电倍率下两种散热结构液冷介质的温度、速度和压强对电池温度的影响。综合考虑电池的热均衡性，确定最佳的液冷散热结构。热模型的建立锂离子电池内部结构复杂，充放电过程中会发生剧烈的化学反应，因此，在建立热仿真模型时，有必要做出相应假设：电池各组成材料的密度、比热容和导热系数保持不变；自然对流系数保持恒定不变且热辐射对电池散热影响忽略不计。基于上述假设建立电池的热仿真模型：（）式中：为电池的密度，；为电池导热系数，；为电池比热容，；为电池的平均生热率，；为温度，；电池放电时间，；、分别为电池的长、宽、高方向。电池的生热机理电池在充放电过程中，是一个伴随着热量产生的电化学反应。文献通过实验，把电池的产热主要分为焦耳热、极化热 以及反应热。反应热相对于焦耳热、极化热较小，可以忽略不计。简化后电池平均生热率 及单位体积生热率 可表示为：（）（）（）（）式中：为焦耳热，；为极化热，；为欧姆内阻，；为极化内阻，为单位体积生热率，；为电池体积，。边界条件 空冷边界电池外表面与空气之间形成对流边界，对流边界方程表示为：（）（）式中：为对流换热量，；为对流换热系数，；为环境温度，。液冷边界电池与液冷板直接接触，电池热量传导到液冷板上。此时液冷板的能量守恒方程可表示为：（）（）式中：为液冷板密度，；为液冷板比热容，；为 液 冷 板 导 热 系 数，；为液冷板温度，；为拉普拉斯算子。往液冷板中通入冷却剂，冷却剂与液冷板间发生热传导，冷却剂将热量传递出来。假设冷却剂为不可压缩液体且密度不随时间变化，冷却剂的能量守恒方程、连续性方程、动量守恒方程分别表示为：（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为冷却剂密度，；为冷却剂比热容，；为 冷 却 剂 导 热 系 数，；为冷却剂的速度，；为冷却剂的压力，；冷却剂的动力粘度，。重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 电池单体热特性实验 实验对象以某、锂离子电池为研究对象，电池的长、宽、高分别为、，极耳的长、宽、高分别为、。考虑到电池单体的生热速率取决于其内阻，因此在实验条件下对电池进行内阻测试。实验设备实验相关测试设备包括：迪卡龙电池充放电设备 迪卡龙（青岛）电子有限公司产，电流精度达到 ，动态信号分析仪（江苏东华测试技术股份有限公司产）：包含 个测试通道，其中 个与热电偶配合使用，个连接温度补偿传感器，用于测试电池表面不同测点部位的温度值。型热电偶（测温范围为，精度为）、可程式恒温恒湿箱（南京泰斯特试验设备有限公司产，温度调节范围为，精度为；湿度调节范围为 ，精度为）、充放电控制电脑。测试原理根据（）实验原理，电池单体处于某个特定温度，在一定的 状态下，对电池进行 脉冲实验，实验测试原理如图（一个 脉冲）。如图 所示，放电和充电过程中电池电压都各有两个变化，即先迅速变化后缓慢变化。迅速变化是由电池欧姆内阻引起，缓慢变化是由电池极化内阻引起的。脉冲放电阶段中电压的变化依次可以表示为、，脉冲充电阶段电压变化依次表示为、。脉冲放电的电流为、脉冲充电的电流为。（脉冲充电电流的大小为脉冲放电电流的）。图 实验测试原理（一个 脉冲）（）内阻计算如下：欧姆内阻：（）极化内阻：（）直流内阻：（）电池内阻测试实验 实验步骤步步骤骤 首先将电池进行恒流恒压充电至满电状态（），静置至室温；步步骤骤 将电池放入 的恒温箱内，进行 实验，即电池 放电 ，静置 ，然后以 充电 ，记录电压、电流变化数据；步步骤骤 依次将电池以 倍率恒流恒压放电至 为、，每次分别使电池静置 ，重复步步骤骤 ，即在每一个 下进行一次 实验。记录相关数据。结果分析图 为电池直流内阻随 的变化，当 为 时，电池的直流内阻为 。在 区间，内阻几乎不随 的变化而变化。当 小于 时，内阻发生明显的变化，随着 的降低，内阻迅速增加。降为 时，内阻为 。图 电池直流内阻随 的变化 电池单体温升实验在 环境温度下，对电池进行 和 倍率放电实验，各测试 组，记录各个测试点的温度变化数据。根据锂离子电池生传热机理和温度分布特性布置四个主要的温度测试点（图），反映电池整体温升变化情况。测试点位置为：测试点（电池正极下端）、测试点（电池负极下端）、测试点（电池中间）和测试点（电池底部边缘）。第 期刘霏霏，等：锂电池模组液冷复合散热结构设计及性能分析图 电池单体测试点分布 图 为电池单体在 和 倍率放电时的实验温升图。由图 可知，相同的倍率放电情况下，电池的各个测试点温度随着放电时间的增加而升高。在相同倍率下，和 最高温度均出现在测试点，最低温度均在测试点。在不同的放电倍率下，放电倍率越大，放电的电流越大，电池生热率越大，电池放出的热量就越大，所以各个测试点温度升高越快。倍率放电，单位体积产热率增加，放电结束时电池最高温度可达 ，最大温差比 放电时大 。图 电池单体在 和 放电时的实验温升 电池模型的验证电池模组在生热的过程中，由于正、负极的生热量相对整个模组生热量来说微乎其微，故在后续的模拟仿真中忽略正、负极的影响。根据电池的实验内阻测试数据，带入式（）（），得出电池 放电倍率下 并且在，条件下对电池单体进行不同放电倍率的温度场仿真分析。电池单体的 ，导热系数 由于各向异性，和 方向导热系数相同为，方向的导热系数为 。在 环境温度下，电池以 倍率放电，实验与仿真的电池温升对比如图。随着放电时间的进行，电池的仿真温升和实验温升变化规律基本一致。最高温度均出现在测试点，次高温度出现在测试点，最低温度则在测试点，放电结束时测试点 的仿真温度为 ，实验温度为 。因热电偶在测电池表面温度的时候，被胶带贴住，该区域温度会略微升高，故随着电池深度放电，仿真温度略小于实验测得温度。在整个放电过程中，四个测试点温度的实验值与仿真值之间的最大误差为，最小误差为 ，整体误差均控制在 之内。说明建立的电池单体模型具有一定的工程精度，可用于后续模组的散热仿真。图 放电时电池单体仿真与实验对比 电池模组散热结构优化及性能分析 电池模组不同放电倍率下的性能分析如图，模组由 个电池单体串联组成，个小模组是对称布置，所以选择一组小模组在不同放电倍率进行热仿真。电池模组的仿真参数参照电池单体仿真，图 为不同放电倍率下电池模组实时最高温度，倍率放电下最高温度可达到 。不同放电倍率下，模组最高温度都呈现放电初期急速上升，后期温度逐渐平稳。图 为 倍率放电时电池模组的温度分布云图，由图 可知，电池模组的最高温度出现在模组的中心区域，温度由电池中心向电池边缘方向逐渐减小，最大温差为 。由以上数据可知，最高 重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷温度和最大温差已经超出锂离子电池最佳工作温度，如果电池长期处于此温度区间工作，电池的循坏寿命和充放电特性均会受影响。须对电池模组进行合理散热，对保证锂离子电池安全、高效工作有积极意义。图 电池模组三维模型 图 不同放电倍率下电池模组实时最高温度 图 放电时电池模组温度分布云图 液冷通道散热结构设计图 为 型液冷复合散热电池模组结构，图 中，型液冷通道散热结构设计采用 个串联的 型的液冷通道，液冷通道以 型布置方式绕着 个小模组形成液冷散热结构并且在电池单体间夹隔导热垫片，形成液冷导热垫复合散热，对电池模组进行液冷散热。图 为回型液冷复合散热电池模组结构，回型液冷通道散热结构设计采用两组进液口关于 轴对称，冷却液从 轴正方向进入，分别沿 轴正方向和反方向流动，围绕 个电池小模组，然后从 个小模组中间（轴反方向）流出。进液口与出液口的布置及尺寸与 型液冷结构一致。图 型液冷复合散热电池模组结构 第 期刘霏霏，等：锂电池模组液冷复合散热结构设计及性能分析图 回型液冷复合散热电池模组结构 性能分析电池模组散热结构中，液冷介质作为热量传递介质，需要具有价格低、高导热性、热稳定好等特点，乙二醇水溶液具备上述优点，因此被各大车企广泛用于液体散热。选用 乙二醇水溶液作为液冷介质。冷却液入口温度设置为，环境温度为。参考文献研究体积流量对散热的影响，不同管道直径的流道体积流量增大到一定量，电池模组最大温度和最大温差变化缓慢。因此结合管道液体介质体积流量设置为 。电池模组中单体之间夹隔导热垫片，其具有良好的导热性能、同时起到缓冲减震作用，对应的热物性参数如表。电池模组在 倍率下放电时，仿真得到 型和回型两种散热结构对应的温度、速度和压强分布云图如图图。表 各部件热物性参数 材料密度 比热容 导热系数 液体介质 液冷板 导热垫片 温度特性对比图 为 型散热结构的电池模组温度分布云图。如图 中，靠近进液口一端电池模组表面最低温度为 ，整个模组中心最高温度为 。由图 可知，由于 型液冷通道较长，随着液体介质的流动，沿着流动方向通道内的水温越高，进液口处与出液口处最大温差为 。因此，造成左右两端电池小模组的温度不一致，最大温差为 。图 为回型散热结构的电池模组温度分布云图。回型散热结构中，在不改变体积流量的条件下，电池模组的最低温度和最高温度分别达到 和。由图 可知，回型通道成对称分布，因此，两组进液口通入液体介质后，沿 轴正方向和负方向流至出液口的两组对称流道内液体温度分布几乎一致，流道内最大温差为 （比 型增加了）。且两个小模组各个区域温度分布几乎对称，两个小模组中最大温差均控制在 以内，最大值为 （比 型降低了）。图 型散热结构的电池模组温度分布云图 图 回型散热结构的电池模组温度分布云图 图 型通道内液体温度分布 重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 回型通道内液体温度分布 速度特性对比判断流体的状态可以根据雷诺数 大小来确定。，为冷却剂速度，为有效长度，为动力粘度，计算得出 ，因此流体为层流。图、图 分别为 型和回型通道内液体速度云图及局部放大图。液体在流道内流动，不管是层流还是湍流，液体流道内速度都是梯形分布，即通道中间流速快、两边流速慢。流速越小，速度分层越明显，且通道内液体无杂乱无章的运动，由图、图 放大图可知，流体分层明显，符合仿真设置的层流模型。由图 可知，对于 型通道，通道内速度比较平稳，平均流速为 。通道内拐角处液体流速最大，最大可达到 。因此，靠近拐角处的电池模组局部区域温度最低，最低温度为。由图 可知，对于回型通道，平均速度为 ，因出液口只有 组，两组进液口的液体随着通道流动，最终汇集在一起从出液口流出，此处流速最大，达到 ，整个通道内流速不超过 。电池模组最低温度也同 型一样在通道拐角处，最低温度为 。图 型通道内液体速度云图及局部放大 图 回型通道内液体速度云图及局部放大 压强特性对比图 和图 分别为 型和回型通道内液体压强分布。分析图、可得，型和回型液冷通道中，进液口与出液口的压强差分别为 和 。型液冷通道过长，液冷介质与管道内壁发生摩擦，形成较大流动阻力，因此液体介质在流道内沿层压力损失较大。另外通道转弯口也比回型散热结构较多，因此局部压力损失也相对较大。综合来说，型散热结构通道内压力损失比回型通道大。通道内压力损失越大，说明需要的液压泵功率也越大，即消耗的能量越大。通过对比分析两种液冷散热结构的温度、速度和压强，可知，回型比 型液冷通道具有更优的散热性和经济性。图 型通道内液体压强分布 第 期刘霏霏，等：锂电池模组液冷复合散热结构设计及性能分析图 回型通道内液体压强分布 结 论通过电池单体内阻实验建立了电池的热仿真模型。在模型验证的基础上，对 个电池单体串联的电池模组设计了 型和回型两种液冷散热结构，同时在模组内单体之间夹隔导热垫片，形成液冷导热垫复合散热。对比分析不同复合液冷结构下液冷通道内液体温度、流速和压强对电池模组散热性能的影响。得出以下结论：）基于电池单体内阻实验建立的电池热仿真模型，充分考虑了内阻与 之间的动态关系，所计算的电池温度的仿真值与实验值变化趋势一致，各测试点最大温差均控制在 以内，说明所建立的模型具有可靠的工程精度，更加符合电池的实际工作状况。）在相同放电倍率下，相比于 型，回型液冷通道内进出口液体温差较大，可达 ，加大了电池模组与液冷通道间的换热量，且通道内流速变化更平稳、压力损失更小。因此，回型液冷散热系统具有更优的散热性、热均衡性和经济性。）采用液冷导热垫复合散热方式可有效改善电池模组的散热性能和热均衡性。即使在 倍率放电时，电池模组的最高温度也可控制在 以内。但对于回型液冷通道方式，电池模组的最大温差为，比 型降低了，具有更优的均温性。参考文献（）：，：，：张甫仁，易孟斐，汪鹏伟，等锂离子电池复合热管理系统的多目标优化重庆交通大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，：，：，（），：，：，（）：安治国，陈星，田茂飞，等 泡沫铝 液冷复合式锂电池热管理重庆交通大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：邱焕尧 基于锂离子动力电池液冷散热结构设计及仿真分析 西安：长安大学，：，（责任编辑：黄杨程）重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷