基于双向并联流道液冷板的电池热仿真与优化.pdf

车辆与动力技术2023年第2 期Vehicle&Power Technology文章编号：10 0 9-46 8 7(2 0 2 3)0 2-0 0 14-0 6总第17 0 期基于双向并联流道液冷板的电池热仿真与优化李睿，王铁（沈阳理工大学汽车与交通学院，沈阳110 159）摘要：为了优化电动汽车电池热管理系统，使锂电池模组始终能在合适的温度区间正常工作，提出了一种双向并联流道的液冷板布局结构，采用某方形锂电池为研究对象，对在环境温度40 下的电池模组进行散热仿真，针对仿真结果进行优化改进，结果表明：改进后的液冷结构具有足够的散热能力，模组的最高温度降低1.285，最大温差降低1.2.电池模组可以在较为理想的环境下进行散热改变冷却液入口质量流量与冷却液温度，能够起到不同效果的散热能力，需要根据不同模组情况针对性调整.关键词：电池热管理系统；电池模组；液冷散热；数值模拟；结构优化中图分类号：U469.72Thermal Simulation and Optimization of Battery Based onBidirectional Parallel Flow Channel Liquid-cooling Plate(School of Automotive and Transportation,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)Abstract:In order to optimize the electric vehicle battery thermal management system to enable thelithium battery module can always work normally in the appropriate temperature range,a two-way parallelflow channel layout structure is proposed.This method uses a square lithium battery as the researchobject and heat dissipation simulation is conducted for the battery module at an ambient temperature of 40C.Then,we further optimize and improve the model according to the simulation results.The resultsshow that the improved liquid-cooled structure has sufficient heat dissipation capacity,while themaximum temperature of the module is reduced by 1.285 C and the maximum temperature difference isreduced by 1.2 C.The battery module can dissipate heat in a more ideal environment.Changing thecoolant inlet mass flow and coolant temperature can play a different role in the heat dissipation capacity,which needs to be adjusted according to the situation of different modules.Key words:battery thermal management system;battery module;liquid-cooled heat dissipation;近年来，受严重的能源危机与恶化的环境污染影响，各行业对绿色能源的开发与利用已成为主流，能源的未来也终会向绿色能源时代迈进 而作为新兴绿色能源之一的锂离子电池，正逐渐成为新能源汽车产业的动力支柱广泛地应用于纯电动汽车（EV）与混合动力汽车（HEVs）的动力电池系统.相较于其它类型电池，锂电池在能量密度、荷电保文献标识码：ALI Rui,WANG Tienumerical simulation;structural optimization持能力、寿命、安全等方面有着明显优势，但其对温度变化的高敏感度是一个不容忽视的问题2 1温度过高会加速电池内部化学反应，致使电池热泛滥，严重将导致电池爆炸；温度过低则会使负极析锂，严重降低电池性能3 因此，设计优化电池的热管理系统，采用合理的冷却方式是必不可少的.不同工况下电池的温度变化不同，所需对应的收稿日期：2 0 2 2-10-2 5作者简介：李睿（19 9 8），男，硕士研究生，研究方向为电池热仿真第2 期冷却方法也将有所变化按照所利用的传热介质与原理不同，可将冷却手段划分为4种：风冷、液冷、相变冷却，热管冷却4 风冷利用流体的对流传热降低温度，其设计成本最低、设计结构最简单，发展成熟，但散热效果与电池的温度一致性较差；相变冷却利用物质分子重新排列与分子热运动速度的变化来吸收电池热量，其冷却效果极好，无泄漏风险且结构紧，但加热能力差，气密性与成本要求高；热管冷却原理是基于气相与液相的变化传热，在无能耗的情况下将电池热量迅速带走，其导热性高、布置形式多样，温度控制更精准，但目前未应用于实际，还处于实验阶段液冷则通过液体强制对流带走电池热量，其散热效率高，温度均匀性好，能耗低，成本较高但可优化结构控制在合理范围故综合比较，液冷的冷却方式在散热率、温度均匀性、能耗、实际生产中都有着独到的优势，已成为现今动力电池热管理的主流5-7 电池液冷系统的散热主要通过优化电池排布方式以及优化液冷板内流道的结构与布局来实现，文中提出一种新型流道布局结构，应用STAR-CCM+软件，对此液冷流道布局下的电池模组进行热仿真模拟，并针对分析结果进行结构优化与变量分析.1数学模型构建1.1电池热模型锂离子电池的产热机理是复杂多变的，主要可分为以下4种：由于可逆反应生成的反应热Q，；极化反应生成的极化热Q，；本身内阻存在生成的焦耳热Q,以及电极自放电生成的副反应热Qs综上4种热量可得总热量之和Q，Q=Q,+Q,+Q;+Qs.在充放电工况下，副反应热在充放电工况下所生成的热量少，故不作考虑，主要考虑Q，、Q，、Q,3种热量电池模组使用集总参数模型，设电池内部发热均匀，内部物质分布均匀，不考虑内部辐射与热对流，忽略温度对内部热容及导热系数的影响，采用Berrnadi描述方程为a(C,T)Ptq=I(E-U。)-I T 9(2）式为内部温升方程，p李睿等：基于双向并联流道液冷板的电池热仿真与优化?T?T化程度；k代表电池内部x、y、2ay2各项导热，9 为发热功率（3）式中右侧前项代表极化热和焦耳热，后项代表反应热.I、U。、E、T、dE分别代表电流、端电压、开路电压、电池温度、dT温度影响系数且电池的端电压等于开路电压E与等效电压IR之和，等效内阻R等于极化内阻Rp与欧姆内阻R。之和故有：U。=E+I R,R=Rp+Ro:由（3）（4）（5）式可求得电池总生热功率：1=P(R,+Ro)-IT.dT1.2液冷系统控制方程电池因工作产生的热量在密闭的电池包内会出现大量热堆积，在液冷冷却方式中，这些多余热量经由导热硅胶垫、液冷板面、液冷板内流动的冷却液向外传递，完成散热在整个液体流动、液固传热过程中，始终遵守以下三大守恒方程.质量守恒方程：a(pl)+a(pm)+a(pn)x动量守恒方程：dup=pF-T+Vu.能量守恒方程：aTpc+V.(pcuT)=V.(h VT).t式中：l、m、n 为速度在各方向上的分量，代表梯度向量，P、C、F、P、U、T、k 分别代表密度、比热容、质量力、应力张量、流体黏性系数、(1)速度矢量、温度、导热系数.2仿真模型建立及分析2.1几何模型文中首先建立一种具备双向并联流道的液冷散热方形锂电池模组简化模型，观察电池在高温环境下的?T?Td?T+k2x215T(4)(5)(6)=0.(7)(8)(9)+q.(2)液冷散热情况，并针对存在问题进行结构优化该方ay2dEdTa(C,T)代表温度变at模组与液冷板之间采用导热系数为2 W/（m k）、密形锂电池液冷系统包含3个电池模组、导热垫、冷却(3)板及冷却流道每个电池模组由12 个50 Ah单体电池按照3P4S的方式进行连接各横排模组间间隙为10 cm.16度2 0 0 0 kg/m、比热容9 0 0 J/（k g k）的导热垫来填充二者间缝隙，以更好的降低接触热阻的影响几何模型与液冷板模型如图1、2 所示.模组进水凸1进水口2液冷板图1模组-液冷系统三维结构简图车辆与动力技术2.2边界条件在实际行驶过程中，电动汽车会面临着加、减速，上、下坡，起步、停车等不同工况，相对应的电池的充放电倍率与产热能力也不同结合文中推导得出的式（6），得到电池在环境温度2 5，不同放电倍率(0.5C、1C、1.5C、2 C)产热功率如导热垫表3所示.液冷流道出水口出水口2放电倍率/C0.51.01.52.02023年表3电池产热功率放电电流/A放电时间/s257 200503600752.4001001 800功率/W2.345.8810.2415.26电池模组设为总热源，采用三维、隐性不定常、固体、分离固体能量、恒密度的初始模型条件进行计算，与空气外边界热交换为对流，环境温度图2 液冷板结构简图液冷板内采用双进双出流道布置，各流道采用先并后串的布局方式，分支流道长度与各电池模组纵向长度相同进水口1与进水口2 从上、下两侧同时注人冷却液，经3个并联流道流人后汇流转入中间流道，最终分别从出水口1与出水口2 流出，带走电池产生的多余热量表1、2 为文中仿真模拟所用电池单体、液冷板与冷却液相关物性参数.表1电池单体物理参数与热特性参数参数名称数值标称容量/Ah50额定电压/V3.65内阻/m20.7密度/(kgm-3)2218各向异性（x，y，2)导热率/(Wm-1.k-)=(23.4,5.3,17.4|比热容/(J kg-1 k-)1 060表2 液冷板与冷却液相关参数材料名称或属性液冷板材料冷板导热率/(Wm-1.k-l)冷板比热容/（Jkg-1.k-)液冷板密度/(kg:m=3)冷却液材料黏度/(Pa s)密度/(kgm-3)冷却液导热率/（Wm-1.k-1)冷却液比热容/（Jkg-1.k-1）紊流普朗特数25，对流换热系数2 W/（m k)；冷却液的流体区域采用三维、隐性不定常、液体、分离流、湍流、k-Epsilon、分离流体温度，并考虑重力的初始模型条件进行计算进水口为质量流量进口，出水口为压力出口，整个计算过程随时间变化，为瞬态仿真.2.3网格条件因此液冷模组存在流体流动，故需考虑边界层影响，面网格应用表面重构、体网格应用多面体网格与棱柱层网格，网格基础尺寸6 mm，边界层数3，边界层延伸1.2 8-10 图3、4分别为液冷模组体网格划分、液冷流道平截面处网格划分情况，液冷板网格数量2 7 0 8 2 6，液冷流道网格数量6 116 0 9，电池模组网格数量2 45495，导热垫网格数量132 0 0 1，整体网格数量为1 2 59 9 31.数值A160632009002.70050%乙二醇+50%水0.003 941 071.10.4193.4850.9图3液冷模组体网格划分及进出口边界层第2 期图4液冷流道平截面网格划分及内部壁面边界层2.4不同放电倍率下模组自然散热情况分析25环境温度下，0.5C100%S0C放电，50Ah电池单体完全放电时的发热功率是2.34W，本电池模组共包含36 个单体锂电池，故放电总发热功率8 4.2 4W；同理，相同条件下1C、1.5C、2 C放电倍率下总产热功率为2 11.6 8 W、36 8.6 4W、549.36W.图5为0.5C、1C、1.5C、2 C 放电倍率下，自然空气对流换热系数2 W（mK）下的模组温度云图表4为不同放电倍率下的各温度数据.Temperature/C39.28939.09338.89838.70238.50638.311(a)0.5C放电倍率Temperature/50.46250.18349.90449.62549.34649.068(c)1.5C放电倍率图5不同放电倍率下模组温度云图表4不同放电倍率下电池组温度数据放电倍率/C最高温度/最低温度/平均温度/最大温差/0.539.2891.045.8551.550.4622.054.175分析可知，中间位置的电池受两侧电池的阻挡，使得电池的热量集中在模组中部，两侧的电池模组由于位于外部且与空气自然对流面积大，温度李睿等：基于双向并联流道液冷板的电池热仿真与优化达到降低温度的目的。2.51C放电倍率下模组液冷散热情况分析电动汽车动力电池的正常工作温度范围为-2050，但工业生产中一般要求电池的工作温度不超过50，电池组中每个电池的平均温差不超过5，冷却水进出口温差不应超过5，系统总压降不应超过40 kpa，各模组最大流量差要小于2 0%，且在主要换热区域无明显流动死区.基于以上评价指标，在STARCCM+软件中对整个液冷系统进行1C放电倍率降温仿真分析计算，电池初始温度40，外部温度2 5，进水口Temperature/C45.85545.60145.34745.09344.83944.585(b)1C放电倍率Temperature/54.17553.88353.59153.29953.00752.715(d)-2C放电倍率38.31138.8044.58545.2249.06849.76552.71553.445.17较中部电池略低：当电池在较低电倍率（0.5C、1C)下工作时，电池最高温度、最大温差等指标还处于合理温度范围，但电池温度也在40 上下，需要通过散热手段合理控制温度情况；当在较高倍率(1.5C、2 C)下工作时，电池的最高温度均已高于50，最大温差也逐步上升，工作环境开始严重恶化需要从多方面因素改善冷却的初始条件来冷却液温度2 5，进水口冷却液质量流量4L/min，最大物理时间36 0 0 s遵循式（7 9）的守恒规律，得到的仿真结果如图6 所示。Temperature/C32.89431.77330.65229.53128.41127.289(a)电池温度云图Pressure/Pa4275.63387.12498.51610.0721.41-167.15(c)流道压力云图图6 1C放电倍率下各性能仿真云图0.9781.2701.3941.460Temperature/C26.85026.48026.11025.74025.37025.000(b)冷却液温度云图Velocity/(m s-l)1.44561.15650.867350.578240.289124.5385E-06(d)冷却液速度云图由图6(a)与（b)分析可知,1C倍率下完全放电，通过此液冷系统冷却后，电池模组的最高温度32.894，最低温度2 7.2 8 9，最大温差5.6 0 5.冷却液进出口最高温度为2 6.8 50，最低温度为25，冷却水进出口温差为1.8 5，电池的温差超过了5，未达到设计要求指标；且观察图6（c）与（d）发现，此液冷系统的最高压力达到184275.6Pa，且在各模组下的液冷流道内流速分布严重不均，在边缘流道以及中部流道出现了流动死区的现象，致使电池各模组温度出现了温差变化，不符合设计要求，可针对此现象进行结构优化与改进.3优化结构设计及仿真分析3.1结构优化与仿真分析观察图6（d）冷却液速度云图可知，冷却液在边角处流速较慢，中间流道处流速极低，接近流动死区状态，故需着重对边角与中心流道处进行优化处理如图7 所示，对各边角处进行圆角化处理，将转角处流道宽度由10 mm增加至40 mm，按10 mm的等差比例缩短各肋板在转角处的长度，达到增加中部模组下冷却液流量的目的，使得冷却液的流量分配更均匀.车辆与动力技术结构优化前后的电芯最高温度、最低温度、最大温差、冷却液温差、最大压力的数据对比如表5所示，分析可知，结构优化后最高电芯最高温度由32.894降至31.6 0 9，降低了1.2 8 5.最大温差由5.6 0 5降至4.40 5，降低了1.2.冷却液整体温差由1.8 5降至0.9 5，降低了0.9，最大压力由42 7 5.6 Pa降至148 7.7 Pa，降低了2787.9Pa.可见，优化后的液冷结构调整了冷却液流道的均匀性，降低了系统压降，改善了散热环境，有效地改善了电芯的最高温度与最大温差，起到了更好的液冷散热效果表5结构优化前后性能指标对比性能指标改进前最高温度/32.894最低温度/27.289最大温差/5.605冷却液温差/1.85最大压力/Pa4.275.62023年改进后31.60927.2044.4050.951 487.73.2进水口冷却液质量流量对液冷散热的影响在电池初始温度40，进水口冷却液温度25，外界温度2 5，放电倍率1C的初始条件图7 液冷板结构优化前后对比图下，得到模组在不同质量流量（4L/min、8 L/m i n、12L/min、16 L/m in）下的电芯最高温度与最大温保持初始条件不变，电池初始温度40，环差数值，伴随冷却液人口质量流量变化，模型最高境温度2 5，冷却液人口温度2 5，冷却液人口温度与最大温差的变化曲线如图9 所示。质量流量4L/min，最大物理时间36 0 0 s.结构优31.7化后得到的仿真结果如图8 所示。31.6Temperature/CTemperature/C31.60926.53030.72826.22429.84725.91828.96625.61228.08525.30627.20425.000(a)优化后电池温度云图(b)优化后冷却液温度云图Pressure/PaVelocity/(m s-l)1487.70.653121163.90.52256840.060.39200516.260.26144192.460.13088-131.340.00031323()优化后流道压力云图()优化后冷却液速度云图图8 结构优化后各性能仿真云图4.50+最高温度-温差4.4031.531.431.331.231.131.030.930.8图9最高温度与温差随冷却液入口质量流量变化曲线图通过变化曲线分析可知：随着冷却液入口质量流量的增加，电芯的最高温度与最大温差不断下降，当质量流量由4L/min增加到8 L/min时，电芯的最高温度由31.6 0 9 下降为31.150，降低了0.459，最大温差由4.40 5下降为4.0 9 44.304.204.104.0013.9048冷却液人口质量流量/Lmin-l)1216第2 期，降低了0.311，而当质量流量继续增大时，最高温度与最大温差的下降幅度明显减少，都未超过0.1，降温效果并不显著可见，增加进水口处冷却液的质量流量，可以有效控制电池的温度与温差，但存在临界值，超过临界值后，再改变人口处的质量流量将无法起到更好的液冷散热效果。3.3进水口冷却液温度对液冷散热的影响在电池初始温度40，进水口冷却液质量流量4L/min，环境温度2 5，放电倍率1的初始条件下，对模型进行不同冷却液温度（15、17.5、2 0、2 2.5、2 5）下的热仿真分析，伴随冷却液温度变化，模型最高温度与最大温差的变化曲线如图10 所示通过变化曲线分析可知：降低冷却液温度，电池最高温度则随之下降，但最大温差开始不断变大当冷却液温度降至15时，电池最高温度已下降到2 2.2 18，对比25的冷却液温度，最高温度降低了9.39 1，但最大温差却升高了0.39 6 可见，降低进水口处冷却液温度，可以大幅度降低电芯的最高温度，但会带来电芯最大温差不断升高的问题，当采用此方法进行电池降温时，需严格协调电池温度与温差，确保电池最大温差始终在5以内.3230282624222015.0图10 不同冷却液温度下电池最高温度和温差4结 论文中提出了一种双向并联流道的液冷板结构，并构建了方形锂电池的流-热耦合计算模型，进行电池模组高温下液冷散热仿真分析，针对分析问题对结构进行优化，得出结论如下：1）双向并联流道结构可以有效的控制电池模组温度，具有足够的散热能力，改变流道内肋板布置长度，控制各流道下流量的均匀性，可以有效的降低电池模组最大温度与最大温差，降低液冷板内所受压力.李睿等：基于双向并联流道液冷板的电池热仿真与优化4.94.84.74.64.54.4+最高温度4.3+温差117.5冷却液温度/192）提高进水口处冷却液的质量流量，对电池最高温度、最大温差的降低效果显著，但存在临近值，当质量流量超过临界值时，将无法起到更好的液冷散热效果.3）采用低温冷却液，对电池最高温度的降低效果显著，但会造成温差增大的问题，液冷散热效果无法达到最佳效果若采用此种方法对电池进行冷却散热，需严格把控电池的最大温差.参考文献：1FAYAZH,AFZALA,SAMEEA DM,etal.Optimization of thermal and structural design in lithium-ion batteries to obtain energy efficient battery thermalmanagement system(BTMS):a critical review J.Archives of Computational Methods in Engineering,2022,29(02):129-194.2LI Y,GUO H,QI F,et al.Investigation on liquid coldplate thermal management system with heat pipes forLiFePO4 battery pack in electric vehicles J.AppliedThermal Engineering,2021,185(01):116382.3WU W,WANG S,WU W,et al.A 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